I sensori alimentati dal suono risparmiano milioni di batterie

I sensori che monitorano infrastrutture come ponti o edifici o che sono utilizzati in apparecchiature mediche come le protesi acustiche richiedono un'alimentazione costante. L'energia necessaria a questo scopo proviene solitamente dalle batterie, che vengono sostituite non appena si esauriscono. Questo crea un enorme problema di rifiuti. Uno studio dell'UE ipotizza che nel 2025 quotidiano 78 milioni di batterie finiranno nel cestino.

Un nuovo tipo di sensore meccanico sviluppato dai ricercatori guidati da Marc Serra-Garcia e dal professore di geofisica dell'ETH Johan Robertsson potrebbe ora fornire un rimedio. I ricercatori hanno già fatto richiesta di brevetto per la loro invenzione e hanno ora presentato il principio nella rivista scientifica Advanced Functional Materials.

Le onde sonore fanno vibrare i sensori

"Il sensore funziona in modo puramente meccanico e non richiede una fonte di energia esterna. Utilizza semplicemente l'energia vibrazionale contenuta nelle onde sonore", spiega Johan Robertsson.

Quando si pronuncia una determinata parola o si sente un tono o un rumore, le onde sonore emesse - e solo queste - fanno vibrare il sensore. Questa energia è sufficiente a generare un piccolo impulso elettrico che accende un dispositivo elettronico spento.

Il prototipo sviluppato dai ricercatori del laboratorio di Robertsson presso l'Innovation Park di Dübendorf è già stato brevettato. ? in grado di distinguere tra le parole pronunciate "tre" e "quattro". La parola "quattro" ha una maggiore energia sonora rispetto alla parola "tre", che fa risuonare il sensore. Questo fa vibrare il sensore. La parola "tre", invece, non genera alcuna risonanza nel sensore. La parola "quattro" potrebbe quindi accendere un dispositivo o attivare altri processi. Con "tre" non accadrebbe nulla.

Le nuove varianti del sensore dovrebbero essere in grado di distinguere fino a dodici parole diverse, come ad esempio i comandi standard di una macchina come "on", "off", "up" o "down". Sono anche molto più piccoli del prototipo: mentre questo aveva ancora le dimensioni di un palmo di mano, i nuovi hanno le dimensioni di un'unghia di pollice e i ricercatori puntano a un'ulteriore miniaturizzazione.

Meta-materiale senza sostanze problematiche

Il sensore è un cosiddetto meta-materiale. Non è il materiale utilizzato a conferirgli le sue proprietà speciali, ma la struttura. "Il sensore è costituito solo da silicio e non contiene né metalli pesanti tossici né terre rare come i sensori elettronici convenzionali", sottolinea Serra-Garcia.

Il sensore è composto da decine di dischi con una struttura uguale o simile, che sono collegati tra loro da piccole ragnatele. Queste reti di collegamento agiscono come molle. I ricercatori hanno utilizzato modelli e algoritmi computerizzati per sviluppare il design speciale di queste piastrine microstrutturate e il modo in cui sono collegate tra loro. Queste molle sono anche decisive per determinare se una particolare fonte sonora mette in moto o meno il sensore.

Infrastruttura di monitoraggio

I sensori senza batterie possono essere utilizzati, ad esempio, nel monitoraggio dei terremoti o degli edifici. Tra le altre cose, il sensore potrebbe registrare quando un edificio sviluppa una crepa con la giusta energia sonora o ondulatoria.

C'è interesse anche per i sensori senza batterie per il monitoraggio dei pozzi petroliferi dismessi. Il gas può fuoriuscire da perdite nei pozzi, producendo un caratteristico sibilo. Un sensore meccanico di questo tipo potrebbe rilevare questo sibilo e attivare un allarme senza consumare costantemente energia. Ciò richiederebbe una manutenzione significativamente inferiore e sarebbe più economico.

Sensore per apparecchiature mediche

Serra-Garcia vede anche applicazioni in apparecchiature mediche, come gli impianti cocleari. Queste protesi per non udenti richiedono un'alimentazione permanente per l'elaborazione del segnale da batterie posizionate dietro l'orecchio, dove non c'è spazio per grandi pacchi di batterie. Gli sponsor di questi dispositivi devono quindi cambiare le batterie ogni 12 ore. Tali sensori potrebbero essere utilizzati anche per misurare continuamente la pressione oculare. "Nell'occhio non c'è spazio sufficiente per un sensore con batteria", spiega il ricercatore.

"Anche l'industria è molto interessata ai sensori a energia zero", spiega Serra-Garcia. Non lavora più all'ETH, ma sta sviluppando sensori a energia zero insieme al suo team presso il centro di ricerca pubblico. pagina esternaAmolf Nei Paesi Bassi i sensori meccanici vengono continuamente migliorati. L'obiettivo è lanciare un prototipo solido entro il 2027. "Se per allora non avremo trovato nessuno interessato, potremmo fondare una nostra start-up".