Computing
Nanostrings eröffnen neue Grenzen für vibrationsbasierte Sensoren, die für breitere Anwendungen übernommen werden sollen
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Spitzentechnologische Mikrochips und anspruchsvolle Sensoren sind Werkzeuge, die uns helfen, exponentielle Sprünge in diesem Zeitalter der superschnellen Kommunikation und mehr zu machen. Neue Forschung, die den Weg für die Herstellung einer neuen Art von Nanostring ebnet, der länger vibriert als jedes bisher bekannte Festkörperobjekt, könnte ein Durchbruch sein. Sie könnte dabei helfen, supersensible Sensoren mit Standard‑Mikrochip‑Technologie zu integrieren, was zu einem neuen Paradigma in der vibrationsbasierten Sensorik führt.
World’s Most Sensitive Sensors: Pushing the Envelope for Nanotechnology and ML
Ein Forscherteam der TU Delft und der Brown University hat Resonatoren entwickelt, die Strings ähneln und bei Raumtemperatur länger vibrieren können als jedes andere bisher bekannte Festkörperobjekt. Die Ergebnisse, die bei Raumtemperatur erzielt wurden, konnten zuvor nur bei annähernd absoluten Nulltemperaturen erreicht werden.
Wissenschaftlich gesehen haben die Forscher nanomechanische Resonatoren vorgestellt, die sich über Zentimeter erstrecken und dabei eine Nanometer‑Dicke beibehalten. Diese Eigenschaft führt zu Nanostrings, die die höchste mechanische Qualität unter allen Spannungsobjekten in Umgebungstemperatur aufweisen. In diesem Fall ist das Spannungsobjekt ein Mikrochip.
Die Forscher setzten empfindliche Nanofabrikationstechniken ein, die eine hohe Ausbeute ermöglichten.
Aus funktionaler Sicht, wenn es darum ging, wie gut Energie aus einem schwingenden Objekt entweicht, konnten diese Strings die Vibrationen gezielt einfangen und verhindern, dass ihre Energie entweicht.
Maschinelles Lernen steuerte die Synergie zwischen Nanofabrikation und Designoptimierung. Die mechanische Qualität wurde so stark verbessert, dass die Frequenzen sich 10 Milliarden Kilohertz näherten. Solche mechanischen Frequenzen sind vergleichbar mit denen führender kryogener Resonatoren und schwebender Nanokugeln.
Associate Professor Richard Norte, während er die Bedeutung der Forschung erklärte, sagte folgendes:
“Stellen Sie sich eine Schaukel vor, die, einmal angestoßen, fast 100 Jahre lang weiter schwingt, weil sie fast keine Energie über die Seile verliert. Unsere Nanostrings tun etwas Ähnliches, jedoch vibrieren sie nicht einmal pro Sekunde wie eine Schaukel, sondern 100.000 Mal pro Sekunde. Da es schwierig ist, dass Energie entweicht, bedeutet das auch, dass Umgebungsgeräusche kaum eindringen können, was diese zu einigen der besten Sensoren für Umgebungstemperatur macht.”
Die Entwicklung des Fertigungsprozesses der Lösung weist ebenfalls auf einen radikalen Wandel im Bereich der Nanotechnologie hin. Der Leiter der Forschungsarbeiten, Dr. Andrea Cupertino, erklärte, dass obwohl die Strings bei einer Skalierung 3 Zentimeter lang und 70 Nanometer dick sind, sie dem ‘Herstellen von Gitarrensaiten aus Glas entsprechen, die über einen halben Kilometer aufgehängt sind und kaum Durchhang haben.’
Diese Eigenschaften machen die Lösung für extreme Alltagsanwendungen geeignet, die bisher mit der herkömmlichen Sichtweise auf Nanotechnologie nur schwer zu realisieren waren.
The Application Potential of the Solution
Die Innovation eröffnet neue Grenzen im Bereich der Untersuchung makroskopischer Quantenphänomene bei Raumtemperatur. Bisher war die Studie durch Rauschen verdeckt. Die Nanostrings können jedoch dieses Rauschen isolieren, sodass die Gesetze der Quantenmechanik in Strings aus Milliarden von Atomen erkennbar werden. Dieses Phänomen war zuvor auf einzelne Atome beschränkt. Der Übergang von einem einzelnen Atom zu einem Atomstring birgt großes Potenzial für quantenbasierte Sensorik in alltäglichen Umgebungen.
Die Nanostrings ermöglichen zudem den Aufbau von Strukturen, die besonders nützlich in Miniaturgeräten sind, die physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Beschleunigung und Magnetfelder messen, auch bekannt als MEMS‑Sensorik.
Wissenschaftler hoffen, dass die Forschung über die bisherigen Grenzen der angewandten Wissenschaft hinausgeht und zeigt, wie hochsensible Sensoren mit Standard‑Mikrochip‑Technologie integriert werden können, wodurch neues Potenzial in der vibrationsbasierten Sensorik für Forscher entsteht.
Wenn das Forschungsspektrum erweitert wird, könnte die Studie zur Entwicklung komplexerer Designs führen, die zahlreiche wichtige Parameter messen können, wie Beschleunigung für die Trägheitsnavigation oder eine vibrierende Trommelmembran für nächste‑Generation‑Mikrofone.
Seit einiger Zeit interessieren sich Forscher für das Potenzial von Vibrationssensoren als nicht‑invasive Überwachungstechnologie. Eine Übersicht der verfügbaren Forschung zeigte, dass vibrationsbasierte Sensortechnologien in verschiedenen Bereichen nützlich sein könnten, darunter menschliche, infrastrukturelle, Sicherheits‑ und Gesundheitsüberwachung.
In den folgenden Abschnitten werden wir diese Anwendungsbereiche untersuchen, die von der Forschung zu Nanostring‑Vibrationen profitieren könnten.
How Vibration-Based Sensing Technologies Help Us Develop Solutions
Vibrationsbasierte Sendetechnologien sind in der Diagnostik und im Gesundheitswesen äußerst nützlich. Der Grund ist einfach. Die mechanischen Wellen, die durch unseren Körper aufgrund natürlicher physiologischer Aktivitäten propagieren, sind aufschlussreiche Signale, die Informationen über zahlreiche Körperereignisse enthalten, darunter Körperhaltung, Atmung, Puls, Gang, Fortbewegung und mehr. Das Erfassen dieser mechanisch‑vibratorischen Signale erfordert anspruchsvolle vibrationsbasierte Sensortechnologien.
Diese Sensortechnologien überwachen zudem eine Reihe menschlicher Verhaltensweisen, wie Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL) und mehr. Es gibt inertiale Sensoren wie Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Magnetometer, physische Gesundheitssensoren wie Elektrokardiogramm‑Geräte, Hauttemperatursensoren sowie Kraft‑/Drucksensoren.
Vibrationsbasierte Sensorik spielt eine entscheidende Rolle, um in all diesen Sensoren zuverlässige Ableitungen zu gewährleisten. Sie bieten zudem wertvolle Lösungen in dem, was wir als Belegungsinformations‑Inference‑Dienste bezeichnen. Diese Dienste umfassen Szenarien wie Asset‑Tracking, Schätzung der Personenanzahl an einem Ort, Logistik, Sicherheit usw.
Diese Lösungen helfen, die Position der Subjekte relativ zum begrenzten Raum, in dem sie sich befinden, zu beschreiben. Sie unterstützen zudem die menschliche Identifikation, das Erkennen autorisierter Nutzer und Eindringlinge oder das Aufspüren von Stürzen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der vibrationsbasierten Sensorik ist die Überwachung der Infrastrukturgesundheit, insbesondere das Erkennen seismischer Schäden an Gebäuden, die durch Erschütterungen und Erdbeben verursacht werden. Heutzutage unterstützen diese Lösungen auch bei Stürmen, Hurrikanen und Explosionen, indem sie einen wissenschaftlich belegten Weg zur Bewertung der Infrastrukturgesundheit bieten.
Mehrere Technologieunternehmen haben bereits beliebte Lösungen entwickelt, die die Vorzüge der vibrationsbasierten Sensorik nutzen. Die hier diskutierte Forschung würde ihnen helfen, weitere Fortschritte zu erzielen. Einer dieser weltweit anerkannten Lösungsanbieter ist Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Die Zustandsüberwachungssensoren von Rockwell Automation unterstützen die Durchführung von Vibrations- und Positionsmessungen für die meisten Anwendungen in extremen Temperaturumgebungen und gefährlichen Standorten.
Rockwells Bulletin 1442‑Eddy‑Current‑Sonden‑Systeme beispielsweise helfen, Schaftvibrationen, Phasen‑/Geschwindigkeitsreferenzen und Rotor‑/Schubpositionen an Industriemaschinen zu messen. Das nächste Produkt der Serie, die Bulletin 1443‑Serie Beschleunigungssensoren, kann ebenfalls Vibrationen an Industriemaschinen messen. Es handelt sich um einen hochentwickelten Beschleunigungssensor mit einem breiten Frequenzbereich von 0,2 Hz (12 CPM) bis zu einer sehr hohen Frequenz von 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation bietet zudem eine Lösung, die präventive Wartungsmaßnahmen unterstützt und wichtige Vibrationsdiagnosen von Maschinen mit tragbaren Datensammlern bereitstellt, die verschiedene Analysefunktionen messen, verarbeiten, anzeigen und speichern können. Bei niedrigen Frequenzen kann die Lösung bis zu 0,2 Hz bzw. 12 kpm gehen. Im höheren Bereich kann sie bis zu 30 kHz bzw. 1800 kpm erreichen. Sie kann zudem bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, bis zu 260 Grad Celsius oder 500 Grad Fahrenheit.
Rockwells schleifenbetriebene Vibrationssensoren mit 4‑20 mA Ausgang messen Signale, die die Gesamtschwingungspegel vieler Arten rotierender Maschinen repräsentieren. Seine intrinsisch sicheren Beschleunigungssensoren verfügen über spezielle Fähigkeiten, um den Anforderungen einer gefährlichen Umgebung gerecht zu werden.
Im Geschäftsjahr 2023 verzeichnete Rockwell Automation einen Umsatz von über US$9.058 Milliarden, was einen deutlichen Anstieg gegenüber dem Umsatz von US$7.76 Milliarden im Jahr 2022 darstellt.
#2. Omron
Ein weiteres globales Unternehmen, das herausragende Arbeit mit vibrationsbasierten Sensortechnologien leistet, ist Omron. Es hat den weltweit kleinsten, hochpräzisen seismischen Sensor entwickelt. Der IoT‑freundliche Vibrationssensor trägt den Markennamen D7S.
Der D7S ist ein seismischer Sensor, der dazu beiträgt, Sekundärkatastrophen durch Erdbeben zu reduzieren. Der Sensor kann dank seiner ultrakleinen Größe in jedes Gerät integriert werden. Als hochpräziser Indikator für spektrale Intensität hilft er, Impuls‑Vibrationsrauschen zu unterdrücken und korreliert stark mit Schäden an Strukturen. Die IoT‑Freundlichkeit ermöglicht die Erstellung von Erdbeben‑ und Rettungskarten.
Anwendungsseitig hilft er, Sekundärschäden in Halbleitern, Chemiefabriken und Verteilerschränken zu verhindern. Nutzer können diese Sensoren in ihren Häusern an Verteilerschränken, Brandschutzsystemen und Haushaltsgeräten einsetzen. Die Gesellschaft profitiert von diesen Sensoren, indem sie in Stromzählern, Schnellstraßen, Brücken, Eisenbahnen und mehr installiert werden.
Weitere Merkmale lassen den D7S gegenüber Konkurrenzprodukten hervorstechen. Beispielsweise führen sein 3‑Achsen‑Beschleunigungssensor und ein einzigartiger SI‑Wert‑Berechnungsalgorithmus zu oberflächenmontierbaren kompakten Modulen bei geringem Stromverbrauch. Sein relativ hoher Freiheitsgrad erleichtert die Integration in Geräte und einen langen Betrieb mit Batteriestrom. Vor allem jedoch arbeitet sein Abschalt‑Ausgangsterminal (INT1) äquivalent zu einem herkömmlichen mechanischen Vibrationssensor und gewährleistet die Kompatibilität mit mechanischen Vibrationssensoren.
Im Geschäftsjahr 2023 erzielte Omron einen Jahresumsatz von 890 Milliarden Yen, was einem Anstieg von weniger als 2 % gegenüber dem Vorjahresumsatz von 876,1 Milliarden Yen entspricht.
The Future of Vibration-Based Sensing
Weltweit führen Forscher zahlreiche interessante Projekte im Bereich der vibrationsbasierten Sensortechnologien und Sensoren durch. Im Jahr 2021 schlug ein Forscherteam eine Lösung namens VibroTag vor, die mit Smartphones unterschiedlicher Hardware als robustes und praktisches vibrationsbasiertes Sensorschema funktionieren könnte.
Sie konnte feinkörnige Vibrationssignaturen verschiedener Oberflächen extrahieren und dabei die Auswirkungen von Umgebungsrauschen und hardwarebedingten Unregelmäßigkeiten umgehen. Die Forscher implementierten VibroTag auf zwei verschiedenen Android‑Handys und evaluierten sie in mehreren Umgebungen, wobei sie über mehrere Tage Daten von vier Personen sammelten. VibroTag erreichte eine durchschnittliche Genauigkeit von 86,55 % und konnte 24 verschiedene Orte/Oberflächen erkennen, selbst wenn einige dieser Oberflächen aus ähnlichem Material bestanden.
Eine weitere Forschergruppe der Universität Bologna, Abteilung für intelligente Materialien und Strukturgutüberwachung (SMASH), schlug einen innovativen, kostengünstigen und leichten Sensor‑Knoten (SN) vor, der schnell einsetzbare Sensornetzwerke für langfristige und Echtzeit‑Akustik‑Emission (AE) und Vibrations‑ (ACC) Überwachung ermöglichen könnte. Das Setup wurde so konzipiert, dass die Lösung die Empfindlichkeit gegenüber externem Rauschen erheblich minimiert. Der sensornahe Überwachungsansatz reduzierte das Volumen der Rohdaten, die für NDT‑ und SHM‑Zwecke verarbeitet und gespeichert werden mussten, drastisch.
Eine weitere Forschung, die Nanotechnologie mit vibrationsbasierter Sensorik kombinierte, war ein Niederfrequenz‑Vibrationssensor (LV‑TENG), der auf einem cantilever‑Balken‑basierten triboelektrischen Nanogenerator basiert. Dieser Sensor konnte hochpräzise Vibrationsmessungen durchführen und gleichzeitig Vibrationsenergie effektiv sammeln.
Ein Experiment zur Effizienz des LV‑TENG war überaus positiv. Er konnte Strukturvibrationen im Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 5,0 Hz und einer Amplitude von 2,0 mm bis 10,0 mm korrekt erfassen. Auch die Ausgangsspannung zeigte eine positive lineare Beziehung zur Frequenz, wobei der angepasste Korrelationskoeffizient bis zu 0,994 erreichte. Die Forscher waren überzeugt, dass LV‑TENG einen neuen Weg für die Überwachung von Niederfrequenz‑Vibrationen eröffnet und für die Analyse der Strukturgut‑Überwachung im Marine‑Engineering eingesetzt werden kann.
Die indirekte und direkte Überwachung der Infrastrukturgesundheit, menschlicher Gesundheitszustände und Verhaltensmuster kann das menschliche Leben enorm bereichern. Sie kann Schäden reduzieren und das Leben von Mensch und Maschine verbessern. Vibrationsbasierte Sensorik ist ein effektiver Weg, solche Überwachungsaufgaben durchzuführen. Die Integration von Nanotechnologie in diese Sensortools oder Sensoren macht die Lösungen noch benutzerfreundlicher, da sie hochportabel sind und als Bestandteile tragbarer oder nicht‑tragbarer Geräte integriert werden können.
Die Technologie hat zudem an Bedeutung gewonnen, weil sie kostengünstig ist und wenig Energie verbraucht. Folglich ist sie eine Lösung, die den Anforderungen sowohl der Innen‑ als auch der Außenüberwachung entspricht. Die Zukunft, so glauben die Forscher, wird intensivere Forschungen zu nicht‑intrusiven Lösungen sehen.
Anwendungsseitig hat sie das Potenzial, ein breites Spektrum an Smart‑Home‑ und Umweltanwendungen zu bedienen. Allerdings muss noch mehr an den Signalverarbeitungsfähigkeiten und der Nutzung von Techniken des maschinellen Lernens gearbeitet werden, um diese Sensoren als Ersatz für herkömmliche Sensormechanismen zu etablieren.
