29/01/2024
Door Ad Spijkers
Onderzoekers aan de ETH Zürich hebben een sensor ontwikkeld die de energie van geluidsgolven gebruikt om elektronische apparaten te besturen.
Sensoren die infrastructuur zoals bruggen of gebouwen bewaken, worden gebruikt in medische apparaten zoals gehoorprothesen of in de industrie hebben voortdurend elektriciteit nodig. De energie hiervoor komt meestal uit batterijen, die vervangen moeten worden zodra ze leeg zijn. Dit zorgt voor een groot afvalprobleem. Een EU-studie gaat ervan uit dat tegen 2025 elke dag 78 miljoen batterijen worden afgevoerd.
Mechanische sensor
Een nieuw type sensor, ontwikkeld aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, zou een oplossing kunnen bieden. De sensor werkt puur mechanisch en heeft geen externe energiebron nodig. Hij maakt alleen gebruik van de trillingsenergie die in geluidsgolven zit. Als iemand een bepaald woord uitspreekt of een toon of geluid hoort, zorgen de geluidsgolven die daaruit voortkomen – en alleen deze – ervoor dat de sensor gaat trillen. Deze energie is voldoende om een kleine elektrische puls te genereren die een elektronisch apparaat inschakelt dat is uitgeschakeld.
Het prototype (foto), waarop octrooi is verkregen, kan onderscheid maken tussen de gesproken woorden 'drie' en 'vier'. Het woord 'vier' heeft voldoende geluidsenergie om de sensor in resonantie te doen raken. Hierdoor gaat de sensor trillen. Het woord 'drie' daarentegen veroorzaakt geen resonantie in de sensor. Het woord 'vier' kan een apparaat aanzetten of andere processen activeren. Met 'drie' zou er niets gebeuren.
Metamateriaal
Nieuwere varianten van de sensor zouden tot twaalf verschillende woorden moeten kunnen onderscheiden, zoals standaard machinecommando's zoals 'aan', 'uit', 'omhoog' of 'omlaag'. Ze zijn ook kleiner dan het prototype. Dit was zo groot als een handpalm, maar de nieuwe zijn ongeveer zo groot als een duimnagel, en de onderzoekers streven naar verdere miniaturisering.
De sensor is een zogenaamd metamateriaal. Niet het gebruikte materiaal bepaalt de bijzondere eigenschappen, maar de structuur. De sensor is uitsluitend gemaakt van siliconen en bevat geen giftige zware metalen of zeldzame aardmetalen zoals conventionele elektronische sensoren.
De sensor bestaat uit tientallen identiek of soortgelijk gestructureerde plaatjes die via kleine webjes met elkaar zijn verbonden. Deze verbindingsstaven werken als veren. De onderzoekers ontwikkelden het speciale ontwerp van deze microgestructureerde platen en hoe ze met elkaar verbonden zijn met behulp van computermodellen en algoritmen. De veren zijn ook van cruciaal belang voor de vraag of een bepaalde geluidsbron de sensor activeert of niet.
Toepassingen
De batterijloze sensoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt bij aardbevings- of gebouwbewaking. De sensor zou onder meer kunnen registreren wanneer er in een gebouw een scheur ontstaat die over de juiste geluids- of golfenergie beschikt. Er is ook interesse in batterijloze sensoren voor het bewaken van verlaten oliebronnen. Uit lekkages bij boringen kan gas ontsnappen, waardoor een karakteristiek sissend geluid ontstaat. Een mechanische sensor zou dit sissende geluid kunnen detecteren en een alarm kunnen activeren zonder voortdurend elektriciteit te verbruiken. Dit zou aanzienlijk minder onderhoud vergen en het onderhoud van de systemen zou goedkoper zijn.
De onderzoekers zien ook toepassingen in medische hulpmiddelen, zoals cochleaire implantaten (gehoorprothesen die de functie van de beschadigde zintuigcellen over de gehoorzenuw stimuleren). Deze prothesen hebben voor de signaalverwerking een permanente voeding nodig van batterijen die zich achter het oor bevinden, waar geen ruimte is voor grote batterijpakketten. De dragers van dergelijke apparaten moeten de batterijen daarom elke twaalf uur vervangen. Dergelijke sensoren kunnen ook worden gebruikt om de oogdruk continu te meten. Achter het oog is niet genoeg ruimte in het oog voor een sensor met batterij.
Ook de industrie is sterk geïnteresseerd in batterijloze sensoren. Onderzoeker Serra-Garcia werkt inmiddels bij onderzoeksinstituut Amolf in Amsterdam en ontwikkelt daar samen met zijn team de mechanische sensoren verder. Het doel is om in 2027 een solide prototype te hebben gelanceerd. "Als we tegen die tijd nog niemand geïnteresseerd hebben gevonden, starten we misschien wel onze eigen start-up", aldus de onderzoeker.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Astrid Robertsson / ETH Zürich