Ljuddrivna sensorer kan spara miljontals batterier

Prototypen av ljudsensorn är relativt stor. Kredit: Astrid Robertsson / ETH Zürich)
Prototypen av ljudsensorn är relativt stor. Kredit: Astrid Robertsson / ETH Zürich)

Sensorer som övervakar infrastruktur, t.ex. broar eller byggnader, eller som används i medicinsk utrustning, t.ex. proteser för döva, kräver en konstant strömförsörjning. Energin för detta kommer vanligtvis från batterier, som byts ut så snart de är tomma. Detta skapar ett enormt avfallsproblem. En EU-studie förutspår att 78 miljoner batterier kommer att hamna i soporna varje dag år 2025.

En ny typ av mekanisk sensor, utvecklad av forskare under ledning av Marc Serra-Garcia och Johan Robertsson, professor i geofysik vid ETH, skulle nu kunna avhjälpa problemet. Upphovsmännen har redan sökt patent för sin uppfinning och presenterar nu principen i tidskriften Advanced Functional Materials.

Vissa ljudvågor får sensorn att vibrera

”Sensorn fungerar rent mekaniskt och behöver ingen extern energikälla. Den utnyttjar helt enkelt den vibrationsenergi som finns i ljudvågor”, säger Robertsson.

När ett visst ord uttalas eller en viss ton eller ett visst ljud genereras, får de ljudvågor som avges – och endast dessa – sensorn att vibrera. Denna energi är sedan tillräcklig för att generera en liten elektrisk puls som slår på en elektronisk enhet som har varit avstängd.

Den prototyp som forskarna utvecklade i Robertssons labb vid Switzerland Innovation Park Zurich i Dübendorf har redan patenterats. Den kan skilja mellan de talade orden ”tre” och ”fyra”. Eftersom ordet ”fyra” har mer ljudenergi som resonerar med sensorn jämfört med ordet ”tre”, får det sensorn att vibrera, medan ”tre” inte gör det. Det betyder att ordet ”fyra” kan sätta på en enhet eller utlösa ytterligare processer. Inget skulle hända med ”tre”.

Nyare varianter av sensorn ska kunna skilja mellan upp till tolv olika ord, till exempel standardkommandon som ”on”, ”off”, ”up” och ”down”. Jämfört med den handflatsstora prototypen är de nya versionerna också mycket mindre – ungefär lika stora som en tumnagel – och forskarna siktar på att miniatyrisera dem ytterligare.

Metamaterial utan problematiska ämnen

Sensorn är ett så kallat metamaterial: Det är inte det material som används som ger sensorn dess speciella egenskaper, utan snarare dess struktur. ”Vår sensor består helt av silikon och innehåller varken giftiga tungmetaller eller sällsynta jordartsmetaller, vilket konventionella elektroniska sensorer gör”, säger Serra-Garcia.

Sensorn består av tiotals identiska eller likadant uppbyggda plattor som är förbundna med varandra via små stänger. Dessa anslutningsstänger fungerar som fjädrar. Forskarna använde datormodellering och algoritmer för att utveckla den speciella utformningen av dessa mikrostrukturerade plattor och räkna ut hur de skulle fästas vid varandra. Det är fjädrarna som avgör om en viss ljudkälla sätter sensorn i rörelse eller inte.

Övervakning av infrastruktur

Potentiella användningsområden för dessa batterifria sensorer är jordbävnings- eller byggnadsövervakning. De kan t.ex. registrera när en byggnad får en spricka som har rätt ljud- eller vågenergi.

Det finns också intresse för batterifria sensorer för övervakning av oljekällor som tagits ur drift. Gas kan läcka ut från läckor i borrhål och ge upphov till ett karakteristiskt väsande ljud. En sådan mekanisk sensor skulle kunna detektera detta väsande ljud och utlösa ett larm utan att ständigt förbruka elektricitet – vilket gör den mycket billigare och kräver mycket mindre underhåll.

Sensor för medicinska implantat

Serra-Garcia ser också tillämpningar inom medicinsk utrustning, t.ex. cochleaimplantat. Dessa proteser för döva kräver en permanent strömförsörjning för signalbehandling från batterier. Strömförsörjningen är placerad bakom örat, där det inte finns plats för stora batteripaket. Det innebär att bärarna av sådana enheter måste byta ut batterierna var tolfte timme. De nya sensorerna skulle också kunna användas för kontinuerlig mätning av ögontrycket. ”Det finns inte tillräckligt med utrymme i ögat för en sensor med batteri”, säger han.

”Det finns ett stort intresse för nollenergisensorer även inom industrin”, tillägger Serra-Garcia. Han arbetar inte längre på ETH utan på AMOLF, ett offentligt forskningsinstitut i Nederländerna, där han och hans team förfinar de mekaniska sensorerna. Målet är att lansera en solid prototyp senast 2027. ”Om vi inte har lyckats väcka någons intresse då kanske vi startar ett eget företag.”

Ytterligare information: Tena Dubček et al, In‐Sensor Passive Speech Classification with Phononic Metamaterials, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202311877

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.