الحوسبة
الأوتار النانوية تفتح آفاقًا جديدة لأجهزة الاستشعار القائمة على الاهتزاز لتُعتمد على نطاق أوسع
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الرقاقات الدقيقة المتطورة وأجهزة الاستشعار المتقدمة هي أدوات تساعدنا على تحقيق قفزات أسية في هذا العصر الذي يتميز بالاتصالات فائقة السرعة وأكثر. البحث الجديد الذي يمهد الطريق لصنع نوع جديد من الأوتار النانوية التي تهتز لفترة أطول من أي جسم صلب معروف سابقًا قد يكون إنجازًا ثوريًا. قد يساعد ذلك في دمج أجهزة الاستشعار فائقة الحساسية مع تكنولوجيا الرقائق القياسية، مما ينتج عنه نموذج جديد في الاستشعار القائم على الاهتزاز.
أكثر أجهزة الاستشعار حساسية في العالم: دفع حدود تكنولوجيا النانو وتعلم الآلة
توصل فريق من الباحثين من جامعة TU Delft وجامعة Brown إلى رنانات تشبه الأوتار ويمكنها الاهتزاز لفترة أطول في درجة حرارة الغرفة مقارنة بأي جسم صلب آخر عرفناه حتى الآن. النتائج التي حققها في درجة حرارة الغرفة كانت لا يمكن تحقيقها إلا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق في السابق.
من الناحية العلمية، قدم الباحثون رنانات نانوية ميكانيكية تمتد بطول عدة سنتيمترات مع الحفاظ على سمك بنانومتر. هذه الخاصية تنتج أوتارًا نانوية ذات أعلى جودة ميكانيكية بين أي جسم تثبيت في بيئات درجة حرارة الغرفة. في هذه الحالة، جسم التثبيت هو رقاقة دقيقة.
استخدم الباحثون تقنيات تصنيع نانوية دقيقة ساعدت في تحقيق معدلات إنتاج عالية.
للتوضيح من منظور وظيفي، عندما يتعلق الأمر بمدى احتفاظ الطاقة في جسم يهتز، كانت هذه الأوتار قادرة على حجز الاهتزازات داخلها ومنع تسرب الطاقة.
قادت تقنيات تعلم الآلة إلى تعزيز التآزر بين التصنيع النانوي وتحسين التصميم. تم تحسين الجودة الميكانيكية إلى حد أن الترددات وصلت إلى 10 مليارات كيلوهرتز. هذه الترددات الميكانيكية تقارن بأداء الرنانات الحرارية المتقدمة والكرات النانوية المعلقة.
“تخيل أرجوحة، بمجرد دفعها، تستمر في التأرجح تقريبًا 100 عام لأنها لا تفقد تقريبًا أي طاقة عبر الحبال. تقوم أوتارنا النانوية بشيء مشابه، ولكن بدلاً من الاهتزاز مرة واحدة في الثانية مثل الأرجوحة، تهتز أوتارنا 100,000 مرة في الثانية. نظرًا لصعوبة تسرب الطاقة، يعني ذلك أيضًا أن الضوضاء البيئية يصعب دخولها، مما يجعل هذه الأجهزة من أفضل أجهزة الاستشعار لبيئات درجة حرارة الغرفة.”
يشير تطوير عملية تصنيع الحل إلى تحول جذري داخل مجال تكنولوجيا النانو. وشرح السبب قائلاً إن قائد جهود البحث، الدكتورة أندريا كوبرتينو، أن الأوتار التي يبلغ طولها 3 سنتيمترات وسمكها 70 نانومتر عند تكبيرها تعادل ‘صنع أوتار جيتار من الزجاج معلقة على نصف كيلومتر تقريبًا دون أي انحناء.’
تجعل هذه الخصائص الحل مناسبًا لتطبيقات يومية متطرفة، وهو ما كان من الصعب تحقيقه وفقًا لتصورنا الحالي لتكنولوجيا النانو.
انقر هنا لتتعرف على كيفية تفسير حساسات CMOS للأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة للغير مرئي.
إمكانات تطبيق الحل
تفتح الابتكار آفاقًا جديدة في مجال دراسة الظواهر الكمومية الكبيرة في درجة حرارة الغرفة. حتى الآن، كان البحث محجوبًا بالضوضاء. ومع ذلك، يمكن للأوتار النانوية عزل تلك الضوضاء، مما يجعل قوانين الميكانيكا الكمومية قابلة للتعرف عليها في أوتار مكوّنة من مليارات الذرات. كان هذا الظاهرة في السابق محصورة على ذرة واحدة. هذا التحول من ذرة واحدة إلى سلسلة من الذرات يحمل إمكانات كبيرة للاستشعار القائم على الكم في البيئات اليومية.
تسمح الأوتار النانوية أيضًا ببناء هياكل تكون مفيدة بشكل خاص في الأجهزة المصغرة التي تقيس كميات فيزيائية مثل الضغط والحرارة والتسارع والحقول المغناطيسية، والمعروفة أيضًا باسم استشعار MEMS.
يأمل العلماء أن يتجاوز البحث حدود العلوم التطبيقية كما عرفناها حتى الآن ويظهر لنا كيف يمكن دمج أجهزة الاستشعار عالية الحساسية مع تكنولوجيا الرقائق القياسية، مما يفتح إمكانات جديدة في الاستشعار القائم على الاهتزاز للباحثين لاستكشافها.
إذا تم توسيع نطاق الدراسة، قد يؤدي ذلك إلى تطوير تصاميم أكثر تعقيدًا قادرة على قياس العديد من المعلمات الحيوية، مثل التسارع للملاحة القصورية أو رأس طبلة مهتز لميكروفونات الجيل القادم.
لفترة طويلة الآن، كان الباحثون مهتمين بتقييم إمكانات حساسات الاهتزاز كتقنية مراقبة غير تدخلية. أظهر استعراض الأبحاث المتاحة أن تقنيات الاستشعار القائمة على الاهتزاز قد تكون مفيدة في مجموعة من المجالات، بما في ذلك مراقبة الإنسان والبنية التحتية والسلامة والصحة.
في الفقرات التالية، سنستعرض هذه المجالات التطبيقية التي قد تستفيد من البحث المتعلق باهتزازات الأوتار النانوية.
كيف تساعدنا تقنيات الاستشعار القائمة على الاهتزاز في تطوير الحلول
تقنيات الإرسال القائمة على الاهتزاز مفيدة للغاية في التشخيص والرعاية الصحية. السبب بسيط. الموجات الميكانيكية التي تنتقل عبر أجسامنا نتيجة للأنشطة الفسيولوجية الطبيعية هي إشارات كشفية تحتوي على معلومات حول مجموعة من الأحداث الجسدية، بما في ذلك وضعية الجسم، والتنفس، والنبض، والمشي، والحركة، وأكثر. يتطلب التقاط هذه الإشارات الميكانيكية الاهتزازية تقنيات استشعار متقدمة قائمة على الاهتزاز.
تراقب هذه التقنيات أيضًا مجموعة من السلوكيات البشرية، مثل أنشطة الحياة اليومية (ADL) وغيرها. هناك حساسات قصورية مثل مقياس التسارع، والجيروسكوبات، ومقاييس المغناطيسية، وحساسات الصحة الجسدية مثل أجهزة تخطيط القلب الكهربائي، وحساسات درجة حرارة الجلد، وحساسات القوة/الضغط.
يلعب الاستشعار القائم على الاهتزاز دورًا حاسمًا في ضمان استنتاجات ناجحة في جميع هذه الحساسات. كما يقدم حلولًا قيمة فيما نسميه خدمات استنتاج معلومات الإشغال. تشمل هذه الخدمات سيناريوهات مثل تتبع الأصول، وتقدير عدد الأشخاص في مكان ما، واللوجستيات، والأمن، وغيرها.
تساعد هذه الحلول في وصف موقع الأفراد بالنسبة للمساحة المحدودة التي يتواجدون فيها. كما تساعد في التعرف على الأشخاص. تساعد في تحديد المستخدمين المصرح لهم والمتسللين أو اكتشاف سقوط.
مجال آخر من الاستشعار القائم على الاهتزاز هو مراقبة صحة البنية التحتية، خاصةً اكتشاف الأضرار الزلزالية للمباني الناجمة عن الاهتزازات والزلزال. في الوقت الحاضر، تساعد هذه الحلول أيضًا في حالات العواصف والأعاصير والانفجارات من خلال تقديم طريقة مثبتة علميًا لتقييم صحة البنية التحتية.
قامت عدة شركات تكنولوجية بالفعل بتطوير حلول شائعة تستفيد من مزايا الاستشعار القائم على الاهتزاز. سيساعد البحث الذي ناقشناه هنا هذه الشركات على تحقيق مزيد من التقدم. أحد مزودي الحلول المعترف بهم عالميًا هو Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
تساعد حساسات مراقبة الحالة من Rockwell Automation في إجراء قياسات الاهتزاز والموقع لمعظم التطبيقات في بيئات درجات حرارة قصوى ومواقع خطرة.
على سبيل المثال، تساعد أنظمة مجسات التيار الدوامي Bulletin 1442 من Rockwell في قياس اهتزاز العمود، وإشارة الطور/السرعة، وموقع الدوار/الدفع على الآلات الصناعية. المنتج التالي في السلسلة، حساسات التسارع من سلسلة Bulletin 1443، يمكنه أيضًا قياس الاهتزاز على الآلات الصناعية. إنه مقياس تسارع متطور يتمتع بنطاق تردد واسع يبدأ من 0.2 هرتز (12 دورة في الدقيقة) إلى تردد عالي جدًا يصل إلى 26 كيلوهرتز (1560 دورة في الدقيقة).
Rockwell Automation تمتلك أيضًا حلًا يدعم جهود الصيانة التنبؤية ويوفر تشخيصات اهتزازية رئيسية للآلات باستخدام مجمعات بيانات محمولة يمكنها القياس والمعالجة والعرض وتخزين مجموعة متنوعة من وظائف التحليل. عندما يتعلق الأمر بالعمل عند ترددات منخفضة، يمكن للحل أن يصل إلى 0.2 هرتز أو 12 دورة في الدقيقة. وعلى الجانب الأعلى، قد يصل إلى 30 كيلوهرتز أو 1800 دورة في الدقيقة. يمكنه أيضًا العمل في درجات حرارة مرتفعة جدًا، حتى 260 درجة مئوية أو 500 درجة فهرنهايت.
تقيس حساسات الاهتزاز ذات الطاقة المتداولة عبر الحلقة وإخراج 4-20 مA من Rockwell إشارات تمثل مستويات الاهتزاز العامة التي تولدها العديد من أنواع الآلات الدوارة. تمتلك مقاييس التسارع الآمنة ذاتيًا قدرات خاصة لتلبية متطلبات البيئة الخطرة.
في السنة المالية 2023، سجلت Rockwell Automation إيرادات تزيد عن 9.058 مليار دولار أمريكي، وهو زيادة ملحوظة عن إيراداتها في 2022 التي بلغت 7.76 مليار دولار أمريكي.
#2. Omron
شركة عالمية أخرى قامت بأعمال متميزة في تقنيات الاستشعار القائمة على الاهتزاز هي Omron. لقد طورت أصغر حساس زلزالي من فئة عالية الدقة في العالم. الحساس الصديق لإنترنت الأشياء يحمل العلامة التجارية D7S.
يعد D7S حساسًا زلزاليًا يساعد على تقليل الكوارث الثانوية الناجمة عن الزلازل. يمكن لهذا الحساس أن يتناسب مع أي جهاز بفضل حجمه الصغير جدًا. كونه مؤشرًا عالي الدقة لشدة الطيف الزلزالي يساعده على رفض ضوضاء الاهتزاز النبضي والارتباط العالي بالأضرار التي لحقت بالهياكل. حقيقة كونه صديقًا لإنترنت الأشياء تساعده على إنشاء خرائط الزلازل وخرائط الإنقاذ.
من ناحية التطبيق، يساعد على منع الأضرار الثانوية في أشباه الموصلات، ومصانع الكيماويات، ولوحات التوزيع. يمكن للمستخدمين نشر هذه الحساسات في منازلهم عبر لوحات التوزيع، وأنظمة الوقاية من الحرائق، والأجهزة المنزلية. وفي الوقت نفسه، يمكن للمجتمع الاستفادة من هذه الحساسات بوجودها في عدادات الكهرباء، والطرق السريعة، والجسور، والسكك الحديدية، وغيرها.
تساعد عدة ميزات أخرى D7S على التميز عن منافسيه. على سبيل المثال، يتيح مستشعر التسارع ثلاثي المحاور وخوارزمية حساب قيمة SI الفريدة إنتاج وحدات مدمجة قابلة للتركيب على السطح واستهلاك منخفض للطاقة. درجة حرية الحركة الأعلى نسبيًا تجعلها ملائمة للدمج في الأجهزة وتشغيلًا مطولًا على طاقة البطارية. والأهم من ذلك، أن طرف الإخراج القاطع (INT1) يعمل بمثابة حساس اهتزاز ميكانيكي تقليدي، مما يضمن التوافق مع حساسات الاهتزاز الميكانيكية.
في السنة المالية 2023، حققت Omron إيرادات سنوية قدرها 890 مليار ين، بزيادة تقل عن 2٪ مقارنة بإيرادات السنة السابقة التي بلغت 876.1 مليار ين.
مستقبل الاستشعار القائم على الاهتزاز
يقوم الباحثون حول العالم بتنفيذ العديد من المشاريع البحثية المثيرة في مجال تقنيات الاستشعار القائمة على الاهتزاز والحساسات. في عام 2021، اقترح فريق من الباحثين حلاً يُدعى VibroTag يمكنه العمل مع الهواتف الذكية ذات الأجهزة المختلفة كآلية استشعار قائمة على الاهتزاز قوية وعملية.
كان بإمكانه استخراج توقيعات اهتزاز دقيقة لأسطح مختلفة، متجاوزًا تأثيرات الضوضاء البيئية والاختلالات المرتبطة بالأجهزة. نفذ الباحثون VibroTag على هاتفين أندرويد مختلفين وقاموا بتقييمهما في بيئات متعددة، جمعوا بيانات من أربعة أفراد على مدار عدة أيام. حقق VibroTag متوسط دقة قدره 86.55٪ وتمكن من التعرف على 24 موقعًا/سطحًا مختلفًا، حتى عندما كانت بعض تلك الأسطح مصنوعة من مادة مشابهة.
مجموعة أخرى من الباحثين من قسم المواد الذكية ومراقبة صحة الهياكل (SMASH) في جامعة بولونيا اقترحت عقدة استشعار مبتكرة، منخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن (SN) يمكنها توفير شبكات استشعار سريعة النشر للمراقبة طويلة الأمد وفي الوقت الحقيقي للانبعاثات الصوتية (AE) والاهتزاز (ACC). تم بناء الإعداد بطريقة تجعل الحل يقلل بشكل كبير من الحساسية للضوضاء الخارجية. أسلوب المراقبة القريبة من المستشعر قلل حجم البيانات الخام بشكل كبير التي يجب معالجتها وتخزينها لأغراض الفحص غير المدمر (NDT) ومراقبة صحة الهياكل (SHM).
بحث آخر جمع بين تكنولوجيا النانو والاستشعار القائم على الاهتزاز كان حساسًا للاهتزاز منخفض التردد (LV-TENG) يعتمد على مولد نانوتريبيوإلكتروني بهيكل شعاع كابولي. كان هذا الحساس قادرًا على إجراء استشعار اهتزاز عالي الدقة مع جمع طاقة الاهتزاز بفعالية.
كان التجربة التي أجريت على كفاءة LV-TENG أكثر من إيجابية. استطاع أن يستشعر بشكل صحيح اهتزاز الهيكل بتردد يتراوح من 0.1 هرتز إلى 5.0 هرتز وبسعة من 2.0 مم إلى 10.0 مم. حتى جهد الخرج تبع علاقة خطية إيجابية مع التردد، حيث وصل معامل الارتباط المُناسب إلى 0.994. أكد الباحثون أن LV-TENG يمكن أن يوفر مسارًا جديدًا لمراقبة الاهتزاز منخفض التردد وأن يُستخدم في تحليل مراقبة صحة الهياكل في الهندسة البحرية.
يمكن للمراقبة غير المباشرة والمباشرة لصحة البنية التحتية، وحالات صحة الإنسان، وأنماط السلوك أن تفيد حياة الإنسان بشكل كبير. يمكنها تقليل الأضرار وتعزيز حياة كل من الإنسان والآلة. يعتبر الاستشعار القائم على الاهتزاز طريقة فعالة لتنفيذ مثل هذه عمليات المراقبة. إن دمج تكنولوجيا النانو في هذه الأدوات أو الحساسات يجعل الحلول أسهل في الاستخدام، حيث أنها محمولة للغاية ويمكن دمجها كجزء من الأجهزة القابلة للارتداء أو غير القابلة للارتداء.
كما حظيت التكنولوجيا باهتمام كبير لأنها منخفضة التكلفة وتستهلك طاقة أقل. وبالتالي، هي حل يلبي احتياجات المراقبة الداخلية والخارجية. المستقبل، وفقًا لما يعتقده الباحثون، سيشهد مزيدًا من البحث المكثف في الحلول غير التدخلية.
من ناحية التطبيق، لديها القدرة على تلبية طيف واسع من تطبيقات المنزل الذكي والبيئة. ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من العمل على قدرات معالجة الإشارة واستخدام تقنيات تعلم الآلة لجعل هذه الحساسات بديلاً عن آليات الاستشعار التقليدية.
انقر هنا لتتعرف على الحساسات ذاتية الطاقة التي يمكنها تبسيط وتعزيز الأنظمة.
