Computación
Los nanohilos abren nuevas fronteras para sensores basados en vibración que serán adoptados para un uso más amplio
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Los microchips de vanguardia y los sensores sofisticados son herramientas que nos ayudan a dar saltos exponenciales en esta era de comunicaciones ultrarrápidas y más. La nueva investigación que allana el camino para crear un nuevo tipo de nanohilo que vibra más tiempo que cualquier objeto de estado sólido conocido hasta ahora puede resultar ser un gran avance. Puede ayudar a integrar sensores super sensibles con la tecnología estándar de microchips, dando lugar a un nuevo paradigma en la detección basada en vibraciones.
Los sensores más sensibles del mundo: llevando los límites de la nanotecnología y el aprendizaje automático
Un equipo de investigadores de la TU Delft y la Universidad de Brown ha creado resonadores que se asemejan a cuerdas y pueden vibrar más tiempo a temperatura ambiente que cualquier otro objeto de estado sólido que conozcamos hasta ahora. Los resultados que ha producido a temperatura ambiente solo podrían haberse logrado a temperaturas cercanas al cero absoluto anteriormente.
Desde el punto de vista científico, los investigadores han presentado resonadores nanomecánicos que alcanzan centímetros de longitud manteniendo un grosor de nanómetros. Esta propiedad da lugar a nanohilos con la más alta calidad mecánica entre cualquier objeto de sujeción en entornos a temperatura ambiente. En este caso, el objeto de sujeción es un microchip.
Los investigadores emplearon delicadas técnicas de nanofabricación que ayudaron a lograr altos rendimientos.
Para explicarlo desde una perspectiva funcional, en cuanto a cuán bien la energía se disipaba de un objeto vibrante, estas cuerdas podían atrapar específicamente las vibraciones y evitar que su energía se escapara.
El aprendizaje automático guió la sinergia entre la nanofabricación y la optimización del diseño. La calidad mecánica se mejoró tanto que las frecuencias se acercaron a 10 mil millones de kilohertz. Tales frecuencias mecánicas son comparables al rendimiento de los resonadores criogénicos líderes y las nan Esferas levitadas.
El profesor asociado Richard Norte, al explicar la importancia de la investigación, dijo lo siguiente:
“Imagine un columpio que, una vez empujado, sigue balanceándose durante casi 100 años porque pierde casi ninguna energía a través de las cuerdas. Nuestros nanohilos hacen algo similar, pero en lugar de vibrar una vez por segundo como un columpio, nuestras cuerdas vibran 100,000 veces por segundo. Como es difícil que la energía se escape, también significa que el ruido ambiental es difícil de penetrar, lo que convierte a estos en algunos de los mejores sensores para entornos a temperatura ambiente.”
El desarrollo del proceso de fabricación de la solución también indica un cambio radical dentro del ámbito de la nanotecnología. Explicando la razón, la líder de los esfuerzos de investigación, la Dra. Andrea Cupertino, dijo que aunque las cuerdas miden 3 centímetros de largo y 70 nanómetros de grosor cuando se escalan, son equivalentes a ‘fabricar cuerdas de guitarra de vidrio que se suspenden a medio kilómetro con casi ninguna caída.’
Estas propiedades hacen que la solución sea adecuada para aplicaciones cotidianas extremas, lo que habría sido muy difícil de lograr con la forma en que hemos percibido la nanotecnología hasta ahora.
El potencial de aplicación de la solución
La innovación abre nuevas fronteras en el campo del estudio de fenómenos cuánticos macroscópicos a temperatura ambiente. Hasta ahora, el estudio ha estado enmascarado por el ruido. Sin embargo, los nanohilos pueden aislar esos ruidos, haciendo que las leyes de la mecánica cuántica sean reconocibles en cuerdas formadas por miles de millones de átomos. Este fenómeno estaba antes limitado a átomos individuales. Este paso de un solo átomo a una cadena de átomos tiene un gran potencial para la detección basada en la mecánica cuántica en entornos cotidianos.
Los nanohilos también permiten construir estructuras que serían particularmente útiles en dispositivos miniaturizados que miden cantidades físicas como presión, temperatura, aceleración y campos magnéticos, también conocidos como detección MEMS.
Los científicos esperan que la investigación supere los límites de la ciencia aplicada tal como la conocemos hasta ahora y nos muestre cómo los sensores de alta sensibilidad pueden integrarse con la tecnología estándar de microchips, desencadenando un nuevo potencial en la detección basada en vibraciones para que los investigadores la exploren.
Si se amplía en alcance, el estudio podría conducir al desarrollo de diseños más complejos capaces de medir muchos parámetros cruciales, como la aceleración para la navegación inercial o una membrana vibrante para micrófonos de próxima generación.
Desde hace bastante tiempo, los investigadores han estado interesados en evaluar el potencial de los sensores de vibración como una tecnología de monitoreo no intrusiva. Una revisión de la investigación disponible mostró que las tecnologías de detección basadas en vibraciones podrían ser útiles en una variedad de áreas, incluyendo el monitoreo humano, de infraestructura, de seguridad y de salud.
En los siguientes segmentos, analizaremos estas áreas de aplicación que pueden beneficiarse de la investigación sobre vibraciones de nanohilos.
Cómo las tecnologías de detección basadas en vibraciones nos ayudan a desarrollar soluciones
Las tecnologías de envío basadas en vibraciones son inmensamente útiles en diagnóstico y atención médica. La razón es simple. Las ondas mecánicas que se propagan a través de nuestro cuerpo debido a actividades fisiológicas naturales son señales reveladoras que contienen información sobre una multitud de eventos corporales, incluyendo la orientación del cuerpo, la respiración, el pulso, la marcha, la locomoción y más. Capturar estas señales mecánico‑vibratorias requiere tecnologías sofisticadas de detección basadas en vibraciones.
Estas tecnologías de detección también monitorizan una variedad de comportamientos humanos, como la Actividad de la Vida Diaria (ADL) y más. Existen sensores inerciales como acelerómetros, giroscopios y magnetómetros, sensores de salud física como dispositivos de electrocardiograma, sensores de temperatura cutánea y sensores de fuerza/presión.
La detección basada en vibraciones tiene un papel crucial para garantizar deducciones exitosas en todos estos sensores. También ofrecen soluciones valiosas en lo que llamamos servicios de inferencia de información de ocupación. Estos servicios incluyen escenarios como el seguimiento de activos, la estimación del número de personas en un lugar, la logística, la seguridad, etc.
Estas soluciones ayudan a describir la posición de los sujetos en relación con el espacio confinado en el que se encuentran. También ayuda en la identificación humana. Permite identificar usuarios autorizados e intrusos o detectar una caída.
Otra área de la detección basada en vibraciones es el monitoreo de la salud de la infraestructura, especialmente la detección de daños sísmicos a edificios causados por temblores y daños por terremotos. Hoy en día, estas soluciones también ayudan en casos de tormentas, huracanes y explosiones al ofrecer una forma científicamente probada de evaluar la salud de la infraestructura.
Varias empresas tecnológicas ya han desarrollado soluciones populares que aprovechan los méritos de la detección basada en vibraciones. La investigación que hemos discutido aquí les ayudaría a avanzar aún más. Un proveedor de soluciones reconocido a nivel mundial es Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Los sensores de monitoreo de condición de Rockwell Automation ayudan a realizar mediciones de vibración y posición para la mayoría de las aplicaciones en entornos de temperaturas extremas y ubicaciones peligrosas.
Los sistemas de sonda de corriente de Eddy Bulletin 1442 de Rockwell, por ejemplo, ayudan a medir la vibración del eje, la referencia de fase/velocidad y la posición del rotor/impulso en maquinaria industrial. El siguiente producto de la serie, los sensores de acelerómetro de la Serie Bulletin 1443, también pueden medir la vibración en maquinaria industrial. Es un acelerómetro sofisticado con un amplio rango de frecuencias que comienza en 0,2 Hz (12 CPM) hasta una frecuencia muy alta de 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation también tiene una solución que respalda los esfuerzos de mantenimiento predictivo y proporciona diagnósticos clave de vibración de maquinaria con recolectores de datos portátiles que pueden medir, procesar, mostrar y almacenar una variedad de funciones de análisis. En cuanto al trabajo en bajas frecuencias, la solución puede llegar tan bajo como 0,2 Hz o 12 kpm. En el rango superior, puede alcanzar hasta 30 kHz o 1800 kpm. También puede operar a temperaturas muy altas, hasta 260 grados centígrados o 500 grados Fahrenheit.
Los sensores de vibración alimentados por bucle de Rockwell, con salida de 4‑20 mA, miden señales representativas de los niveles generales de vibración generados por muchos tipos de maquinaria rotativa. Sus acelerómetros intrínsecamente seguros tienen capacidades especiales para cumplir con las exigencias de un entorno peligroso.
En el año fiscal 2023, Rockwell Automation registró unos ingresos de más de US$9.058 mil millones, un aumento considerable respecto a sus ingresos de 2022 de US$7.76 mil millones.
#2. Omron
Otra empresa global que ha realizado un trabajo sobresaliente con tecnologías de detección basadas en vibraciones es Omron. Ha creado el sensor sísmico de alta precisión de menor tamaño de clase del mundo. El sensor de vibración compatible con IoT lleva la marca D7S.
D7S es un sensor sísmico que ayuda a reducir desastres secundarios de los terremotos. El sensor puede adaptarse a cualquier dispositivo gracias a su tamaño ultrapequeño. Ser un indicador sísmico de alta precisión de intensidad espectral le permite rechazar el ruido de vibración impulsiva y correlacionarse fuertemente con los daños ocurridos en estructuras. El hecho de que sea compatible con IoT ayuda a crear mapas sísmicos y mapas de rescate.
En cuanto a la aplicación, ayuda a prevenir daños secundarios en semiconductores, plantas químicas y paneles de distribución. Los usuarios pueden desplegar estos sensores en sus hogares, en paneles de distribución, sistemas de prevención de incendios y electrodomésticos. La sociedad, por su parte, puede beneficiarse de estos sensores al instalarlos en medidores de electricidad, autopistas, puentes, ferrocarriles y más.
Varias otras características hacen que D7S se destaque de sus competidores. Por ejemplo, su sensor de aceleración de 3 ejes y su algoritmo único de cálculo de valor SI resultan en módulos compactos montables en superficie y bajo consumo de energía. Su relativamente mayor grado de libertad lo hace propicio para su incorporación en dispositivos y operación prolongada con energía de batería. Sobre todo, su terminal de salida de apagado (INT1) funciona de manera equivalente a un sensor de vibración mecánico convencional, garantizando compatibilidad con sensores de vibración mecánicos.
En el año fiscal 2023, Omron obtuvo unos ingresos anuales de 890 mil millones de yenes, un aumento de menos del 2 % respecto a los ingresos del año anterior de 876,1 mil millones de yenes.
El futuro de la detección basada en vibraciones
Investigadores de todo el mundo están llevando a cabo numerosos proyectos de investigación interesantes en el área de tecnologías y sensores de detección basados en vibraciones. En 2021, un equipo de investigadores propuso una solución llamada VibroTag que podría funcionar con teléfonos inteligentes de diferentes hardware como un esquema de detección basado en vibraciones robusto y práctico.
Podía extraer firmas de vibración de alta resolución de diferentes superficies, eludiendo los impactos del ruido ambiental y las irregularidades del hardware. Los investigadores implementaron VibroTag en dos teléfonos Android diferentes y los evaluaron en múltiples entornos, recopilando datos de cuatro personas durante varios días. VibroTag alcanzó una precisión media del 86,55 % y pudo reconocer 24 ubicaciones/superficies diferentes, incluso cuando algunas de esas superficies estaban hechas de material similar.
Otro grupo de investigadores del ala de Materiales Inteligentes y Monitoreo de Salud de Estructuras (SMASH) de la Universidad de Bolonia propuso un Nodo Sensor (SN) innovador, de bajo costo y bajo peso que podría generar redes de sensores desplegables rápidamente para el monitoreo a largo plazo y en tiempo real de emisión acústica (AE) y vibración (ACC). La configuración se construyó de manera que la solución pudiera minimizar significativamente la sensibilidad al ruido externo. El enfoque de monitoreo cercano al sensor redujo drásticamente el volumen de datos sin procesar que debía ser procesado y almacenado para propósitos de NDT y SHM.
Otra investigación que combinó nanotecnología con detección basada en vibraciones fue un sensor de vibración de baja frecuencia (LV‑TENG) basado en un nanogenerador triboeléctrico con estructura de viga de cantiléver. Este sensor podía realizar detección de vibración de alta precisión mientras recolectaba eficazmente energía de vibración.
Un experimento realizado sobre la eficiencia del LV‑TENG fue más que positivo. Pudo detectar correctamente la vibración estructural con una frecuencia de 0,1 Hz a 5,0 Hz y una amplitud de 2,0 mm a 10,0 mm. Incluso el voltaje de salida siguió una relación lineal positiva con la frecuencia, alcanzando un coeficiente de correlación ajustado de hasta 0,994. Los investigadores afirmaron que el LV‑TENG podría ofrecer una nueva vía para el monitoreo de vibraciones de baja frecuencia y ser utilizado para el análisis de monitoreo de salud estructural en ingeniería marina.
El monitoreo indirecto y directo de la salud de la infraestructura, de las condiciones de salud humana y de los patrones de comportamiento puede beneficiar enormemente la vida humana. Puede reducir los daños y mejorar la vida tanto de las personas como de las máquinas. La detección basada en vibraciones es una forma eficaz de llevar a cabo dichos ejercicios de monitoreo. La incorporación de nanotecnología en estas herramientas o sensores de detección solo hace que las soluciones sean más fáciles de usar, ya que son altamente portátiles y pueden integrarse como partes de dispositivos portátiles o no portátiles.
La tecnología también ha ganado mucha tracción porque es de bajo costo y consume menos energía. Como resultado, es una solución que se adapta a las necesidades de monitoreo tanto en interiores como en exteriores. El futuro, según los investigadores, verá una investigación más intensa en soluciones no intrusivas.
En cuanto a la aplicación, tiene el potencial de atender a un amplio espectro de aplicaciones de hogares inteligentes y medioambientales. Sin embargo, se necesita realizar más trabajo en las capacidades de procesamiento de señales y en la utilización de técnicas de aprendizaje automático para que estos sensores reemplacen a los mecanismos de detección convencionales.
