Laskenta
Nanoköydet avaavat uusia rajoja värähtelypohjaisten antureiden laajempaan käyttöön
Huipputason mikropiirit ja kehittyneet anturit ovat työkaluja, joiden avulla voimme tehdä eksponentiaalisia harppauksia tässä supernopean viestinnän aikakaudessa ja muussa. Uusi tutkimus raivaa tietä uudenlaisen nanoköyden luomiselle, joka värähtelee pidempään kuin mikään aiemmin tunnettu kiinteä tila -objekti, ja se voi osoittautua läpimurrokseksi. Se saattaa auttaa yhdistämään erittäin herkkiä antureita tavalliseen mikropiiriteknologiaan, mikä johtaa uuteen värähtelypohjaisten antureiden paradigmaan.
Maailman herkimmät anturit: Työntäen rajoja nanoteknologian ja koneoppimisen saralla
TU Delftin ja Brownin yliopiston tutkijaryhmä on kehittänyt jousia muistuttavat resonanssit ja ne voivat värähdellä pidempään huoneenlämpötilassa kuin mikään muu kiinteä tila -objekti, jonka tiedämme tähän mennessä. Tulokset, jotka se on tuottanut huoneenlämpötilassa, olisivat aiemmin olleet mahdollisia vain lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötiloissa.
Tieteellisesti puhuen tutkijat ovat esittäneet nanomekaanisia resonansseja, jotka ulottuvat senttimetrejä pitkiksi säilyttäen nanometrisen paksuuden. Tämä ominaisuus tuottaa nanoköysiä, joilla on korkein mekaaninen laatu kaikista kiinnitysobjekteista huoneenlämpöisissä olosuhteissa. Tässä tapauksessa kiinnitysobjekti on mikropiiri.
Tutkijat käyttivät herkkiä nanofabrikointitekniikoita, jotka auttoivat saavuttamaan korkean tuoton.
Selitettynä toiminnallisesta näkökulmasta, kun tarkasteltiin, kuinka hyvin energia säteilee värähtevästä objektista, nämä köydet pystyvät erityisesti vangitsemaan värähtelyt sisään eikä antamaan energian vuotaa ulos.
Koneoppiminen ohjasi nanofabrikoinnin ja suunnittelun optimoinnin synergian. Mekaaninen laatu parani niin paljon, että taajuudet lähestyivät 10 miljardia kilohertsiä. Tällaiset mekaaniset taajuudet ovat verrattavissa johtavien kriogeenisten resonanssien ja leijuvien nanopyöreiden suorituskykyyn.
Dosentti Richard Norte, selittäessään tutkimuksen merkitystä, sanoi seuraavaa:
“Kuvittele keinu, joka kerran työnnettynä jatkaa keinumista lähes 100 vuoden ajan, koska se menettää lähes ei energiaa köysien kautta. Nanoköymme tekevät jotain vastaavaa, mutta sen sijaan että ne värähtelisi kerran sekunnissa kuten keinu, köymme värähtelevät 100 000 kertaa sekunnissa. Koska energian vuotaminen on vaikeaa, myös ympäristökohina on vaikea päästä sisään, mikä tekee näistä joistakin parhaista antureista huoneenlämpöisissä olosuhteissa.”
Ratkaisun valmistusprosessin kehittäminen osoittaa myös radikaalia muutosta nanoteknologian alalla. Selittäen syyn, tutkimusryhmän johtaja, tohtori Andrea Cupertino, totesi, että vaikka köydet ovat 3 senttimetriä pitkiä ja 70 nanometriä paksuja mittakaavassa, ne ovat yhtä kuin ‘lasisen kitarankielen valmistaminen, joka on ripustettu puoli kilometriä lähes ilman roikkumista.’
Nämä ominaisuudet tekevät ratkaisusta sopivan äärimmäisiin jokapäiväisiin sovelluksiin, mikä olisi ollut erittäin vaikeaa saavuttaa tähän mennessä nanoteknologiaa koskevassa käsityksessämme.
Klikkaa tästä oppiaksesi, miten CMOS-lyhytaaltoinen infrapunasensorit voivat tulkita näkymättömän.
Ratkaisun sovellusmahdollisuudet
Innovaatio avaa uusia rajoja makroskooppisten kvanttifenomien tutkimuksessa huoneenlämpötilassa. Tähän mennessä tutkimus on ollut melun peittämä. Kuitenkin nanoköydet voivat eristää nämä melut, jolloin kvanttifysiikan lait tulevat tunnistettaviksi miljardeja atomeja sisältävissä köyissä. Tämä ilmiö oli aiemmin rajoittunut yksittäisiin atomeihin. Tämä siirtymä yksittäisestä atomista atomijonoon tarjoaa suuria mahdollisuuksia kvanttipohjaiseen anturiteknologiaan jokapäiväisissä ympäristöissä.
Nanoköydet mahdollistavat myös rakenteiden rakentamisen, jotka olisivat erityisen hyödyllisiä pienikokoisissa laitteissa, jotka mittaavat fyysisiä suureita kuten paine, lämpötila, kiihtyvyys ja magneettikentät, tunnetaan myös MEMS-antureina.
Tiedemiehet toivovat, että tutkimus ylittää tähän mennessä tunnetun soveltavan tieteen rajat ja näyttää, miten erittäin herkät anturit voidaan integroida tavalliseen mikropiiriteknologiaan, avaten uusia mahdollisuuksia värähtelypohjaiseen anturiteknologiaan tutkijoiden tutkittavaksi.
Jos tutkimusta laajennetaan, se voi johtaa monimutkaisempien suunnitelmien kehittämiseen, jotka pystyvät mittaamaan monia keskeisiä parametreja, kuten kiihtyvyyttä inertiaaliseen navigointiin tai värisevää rumpukalvoa seuraavan sukupolven mikrofoneihin.
Jo jonkin aikaa tutkijat ovat olleet kiinnostuneita arvioimaan värähtelyantureiden potentiaalia ei-intrusiivisena valvontateknologiana. Saatavilla olevan tutkimuksen katsaus osoitti, että värähtelypohjaiset anturiteknologiat voivat olla hyödyllisiä monilla aloilla, mukaan lukien ihmisen, infrastruktuurin, turvallisuuden ja terveyden seuranta.
Seuraavissa osioissa tarkastelemme näitä sovellusalueita, jotka voivat hyötyä nanoköyden värähtelytutkimuksesta.
Miten värähtelypohjaiset anturiteknologiat auttavat meitä kehittämään ratkaisuja
Värähtelypohjaiset lähetysteknologiat ovat äärimmäisen hyödyllisiä diagnostiikassa ja terveydenhuollossa. Syy on yksinkertainen. Mekaaniset aallot, jotka kulkevat kehossamme luonnollisten fysiologisten toimintojen seurauksena, ovat paljastavia signaaleja, jotka sisältävät tietoa monista kehon tapahtumista, kuten kehon asennosta, hengityksestä, pulssista, kävelystä, liikkumisesta ja muusta. Näiden mekaanisten värähtelysignaalien tallentaminen vaatii kehittyneitä värähtelypohjaisia anturiteknologioita.
Nämä anturiteknologiat myös valvovat erilaisia ihmisen käyttäytymisiä, kuten päivittäisiä toimintoja (ADL) ja muuta. On inertia-antureita kuten kiihtyvyysmittareita, gyroskooppeja ja magnetometreja, fyysisiä terveysantureita kuten elektrokardiogrammilaitteita, ihon lämpötilantureita sekä voima-/paineantureita.
Värähtelypohjaisella havainnoinnilla on keskeinen rooli näiden antureiden onnistuneessa tulkinnassa. Ne tarjoavat myös arvokkaita ratkaisuja niin sanottuihin tilan käyttöasteen inferenssipalveluihin. Näihin palveluihin kuuluvat tilanteet kuten omaisuuden seuranta, paikassa olevien ihmisten määrän arviointi, logistiikka, turvallisuus jne.
Nämä ratkaisut auttavat kuvaamaan kohteiden sijaintia suhteessa rajoitettuun tilaan, jossa ne ovat. Ne myös auttavat ihmisen tunnistamisessa. Ne auttavat tunnistamaan valtuutetut käyttäjät ja tunkeilijat tai havaitsemaan kaatumisen.
Toinen värähtelypohjaisen havainnoinnin alue on infrastruktuurin terveyden seuranta, erityisesti rakennusten seismisen vaurion havaitseminen, jonka aiheuttaa tärinä ja maanjäristykset. Nykyään nämä ratkaisut auttavat myös myrskyjen, hurrikaanien ja räjähdysten tapauksissa tarjoamalla tieteellisesti todistetun tavan arvioida infrastruktuurin kuntoa.
Useat teknologiayritykset ovat jo kehittäneet suosittuja ratkaisuja, jotka hyödyntävät värähtelypohjaisen havainnoinnin etuja. Tässä keskusteltu tutkimus auttaisi heitä etenemään edelleen. Yksi tällainen maailmanlaajuisesti tunnustettu ratkaisuntarjoaja on Rockwell Automation.
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automationin kuntoseurantanturit auttavat suorittamaan värähtely- ja asennusmittauksia useimmissa sovelluksissa äärimmäisissä lämpötilaympäristöissä ja vaarallisissa paikoissa.
Esimerkiksi Rockwellin Bulletin 1442 Eddy Current -probesysteemit auttavat mittaamaan akselin värähtelyä, vaihe-/nopeusviitettä ja roottorin/työntöasentoa teollisuuslaitteissa. Sarjan seuraava tuote, Bulletin 1443 -sarjan kiihtyvyysanturit, voi myös mitata värähtelyä teollisuuslaitteissa. Se on kehittynyt kiihtyvyysanturi, jonka taajuusalue on laaja, alkaen 0,2 Hz (12 CPM) korkeaan taajuuteen jopa 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automationilla on myös ratkaisu, joka tukee ennakoivan ylläpidon pyrkimyksiä ja tarjoaa keskeisiä koneiden värähtelydiagnostiikkoja kannettavilla datankeräimillä, jotka voivat mitata, käsitellä, näyttää ja tallentaa erilaisia analyysitoimintoja. Alhaisten taajuuksien osalta ratkaisu voi mennä jopa 0,2 Hz tai 12 kpm. Korkeammalla puolella se voi saavuttaa jopa 30 kHz tai 1800 kpm. Se voi myös toimia erittäin korkeissa lämpötiloissa, jopa 260 °C tai 500 °F.
Rockwellin silmukkavirtalähteiset, 4–20 mA ulostulon värähtelyanturit mittaavat signaaleja, jotka edustavat monien erilaisten pyörivien koneiden kokonaisvärähtelytasoa. Sen sisäisesti turvalliset kiihtyvyysanturit omaavat erityisiä ominaisuuksia, jotka täyttävät vaarallisten ympäristöjen vaatimukset.
Talousvuonna 2023 Rockwell Automation rekisteröi liikevaihdon, joka ylitti 9,058 miljardia Yhdysvaltain dollaria, merkittävä kasvu vuoden 2022 liikevaihtoon, joka oli 7,76 miljardia dollaria.
#2. Omron
Toinen globaali yritys, joka on tehnyt loistavaa työtä värähtelypohjaisten anturiteknologioiden parissa, on Omron. Se on rakentanut maailman pienin luokka, erittäin tarkka seisminen anturi. IoT-ystävällinen värähtelyanturi on brändinimi D7S.
D7S on seisminen anturi, joka auttaa vähentämään maanjäristysten aiheuttamia toissijaisia katastrofeja. Anturi sopii mihin tahansa laitteeseen sen erittäin pienen koon ansiosta. Spektrin intensiteettiin perustuva, erittäin tarkka maanjäristysindikaattori auttaa hylkäämään impulsiivisen värähtelymelun ja korreloi vahvasti rakenteisiin kohdistuneiden vahinkojen kanssa. Se, että se on IoT-ystävällinen, auttaa luomaan maanjäristyskarttoja ja pelastuskarttoja.
Sovelluksellisesti se auttaa estämään toissijaisia vahinkoja puolijohteissa, kemiallisten laitosten ja jakelupaneelien yhteydessä. Käyttäjät voivat asentaa näitä antureita koteihinsa jakelupaneelien, palontorjuntajärjestelmien ja kodinkoneiden kautta. Yhteiskunta voi puolestaan hyötyä näistä antureista, kun ne asennetaan sähkömittareihin, moottoriteille, siltoihin, rautateille ja muualle.
Useita muita ominaisuuksia auttavat D7S:ää erottumaan kilpailijoistaan. Esimerkiksi sen 3-akselinen kiihtyvyysanturi ja ainutlaatuinen SI-arvon laskenta-algoritmi johtavat pintaliitettäviin kompakteihin moduuleihin ja alhaiseen virrankulutukseen. Sen suhteellisen korkea vapausaste tekee siitä sopivan sisällytettäväksi laitteisiin ja mahdollistaa pitkän toiminnan akkukäytössä. Ennen kaikkea sen sulkemislähtöliitin (INT1) toimii yhtä kuin perinteinen mekaaninen värähtelyanturi, mikä varmistaa yhteensopivuuden mekaanisten värähtelyantureiden kanssa.
Talousvuonna 2023, Omron ansaitsi vuotuisen liikevaihdon, joka oli 890 miljardia jeniä, mikä on alle 2 % kasvu edellisen vuoden 876,1 miljardia jeniä.
Värähtelypohjaisen anturiteknologian tulevaisuus
Tutkijat ympäri maailmaa toteuttavat monia mielenkiintoisia tutkimusprojekteja värähtelypohjaisten anturiteknologioiden ja antureiden alalla. Vuonna 2021 tutkijaryhmä ehdotti ratkaisua nimeltä VibroTag, joka voisi toimia eri laitteistojen älypuhelimilla kestävänä ja käytännöllisenä värähtelypohjaisena anturijärjestelmänä.
Se pystyi erottamaan hienojakoisia värähtelyallekirjoituksia eri pinnoilta, ohittaen ympäristökohinan ja laitteistoperusteisten epäsäännöllisyyksien vaikutukset. Tutkijat toteuttivat VibroTagin kahdelle eri Android-puhelimelle ja arvioivat niitä useissa ympäristöissä keräten tietoa neljältä henkilöltä useiden päivien ajan. VibroTag saavutti keskimääräisen tarkkuuden 86,55 % ja pystyi tunnistamaan 24 erilaista sijaintia/pintaa, vaikka jotkut pinnat olivatkin samanlaisesta materiaalista.
Toinen tutkijaryhmä Bolognan yliopiston Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) -osastolta ehdotti innovatiivista, edullista ja kevyttä anturisolmua (SN), joka voisi mahdollistaa nopeasti käyttöönotettavat anturiverkot pitkäaikaiseen ja reaaliaikaiseen akustiseen emisioon (AE) ja värähtelyyn (ACC) valvontaan. Järjestelmä rakennettiin siten, että ratkaisu voisi merkittävästi vähentää herkkyyttä ulkoiseen kohinaan. Anturin lähellä tapahtuva valvontamenetelmä vähensi raakadatamäärän dramaattisesti, mikä helpottaa NDT- ja SHM-tarkoituksiin prosessointia ja tallennusta.
Toinen tutkimus, joka yhdisti nanoteknologian värähtelypohjaiseen anturiteknologiaan, oli matalataajuinen värähtelyanturi (LV-TENG), joka perustui kantileveri-palkkirakenteiseen triboelektriseen nanogeneraattoriin. Tämä anturi pystyi suorittamaan tarkkaa värähtelyhavainnointia samalla kun keräsi tehokkaasti värähtelyenergiaa.
LV-TENGin tehokkuutta koskeva kokeilu oli erittäin positiivinen. Se pystyi tarkasti havaitsemaan rakenteen värähtelyn taajuudella 0,1 Hz–5,0 Hz ja amplitudilla 2,0 mm–10,0 mm. Jopa lähtöjännite seurasi positiivista lineaarista suhdetta taajuuteen, ja sovitettu korrelaatiokerroin saavutti jopa 0,994. Tutkijat olivat vakuuttuneita, että LV-TENG voi tarjota uuden mahdollisuuden matalataajuiseen värähtelyvalvontaan ja sitä voidaan käyttää rakenteiden terveysvalvonnan analyysiin meriteknologiassa.
Rakenteiden terveyden, ihmisten terveydentilan ja käyttäytymismallien epäsuora ja suora valvonta voi hyödyttää ihmiskuntaa merkittävästi. Se voi vähentää vahinkoja ja parantaa sekä ihmisten että koneiden elämää. Värähtelypohjainen havainnointi on tehokas tapa toteuttaa tällaisia valvontaharjoituksia. Nanoteknologian sisällyttäminen näihin havainnointivälineisiin tai antureihin tekee ratkaisuista entistä helpommin käytettäviä, sillä ne ovat erittäin kannettavia ja voidaan integroida sekä kannettaviin että ei‑kannettaviin laitteisiin.
Teknologia on myös saanut paljon suosiota, koska se on edullinen ja kuluttaa vähemmän energiaa. Tämän seurauksena se on ratkaisu, joka täyttää sekä sisäisen että ulkoisen valvonnan tarpeet. Tulevaisuudessa, tutkijoiden uskomusten mukaan, nähdään entistä intensiivisempää tutkimusta ei‑intrusiivisista ratkaisuista.
Sovelluksellisesti sillä on potentiaalia palvella laajaa valikoimaa älykodin ja ympäristön sovelluksia. Kuitenkin, signaalinkäsittelykykyjen ja koneoppimistekniikoiden hyödyntämisen osalta on tehtävä vielä enemmän, jotta nämä anturit voisivat korvata perinteiset anturimekanismit.
