Informatique
Les nanofilaments ouvrent de nouveaux horizons pour les capteurs à base de vibrations à adopter pour une utilisation plus large
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Les microchips de pointe et les capteurs sophistiqués sont des outils qui nous aident à faire des bonds exponentiels à l’ère de la communication ultra‑rapide et plus encore. De nouvelles recherches ouvrant la voie à la création d’un nouveau type de nanofilament qui vibre plus longtemps que tout objet à l’état solide connu jusqu’à présent pourraient constituer une percée. Cela pourrait aider à intégrer des capteurs ultra‑sensibles à la technologie microchip standard, aboutissant à un nouveau paradigme de détection basée sur les vibrations.
Les capteurs les plus sensibles du monde: repousser les limites de la nanotechnologie et du ML
Une équipe de chercheurs de l’Université TU Delft et de l’Université Brown a mis au point des résonateurs qui ressemblent à des cordes et qui peuvent vibrer plus longtemps à température ambiante que tout autre objet à l’état solide connu à ce jour. Les résultats obtenus à température ambiante n’auraient pu être atteints à des températures proches du zéro absolu auparavant.
Scientifiquement parlant, les chercheurs ont présenté des résonateurs nanomécaniques qui s’étendent sur plusieurs centimètres tout en conservant une épaisseur de quelques nanomètres. Cette propriété donne naissance à des nanofilaments d’une qualité mécanique exceptionnelle parmi tout objet d’ancrage dans des environnements à température ambiante. Dans ce cas, l’objet d’ancrage est une micro‑puce.
Les chercheurs ont déployé des techniques de nanofabrication délicates qui ont permis d’obtenir des rendements élevés.
Pour expliquer d’un point de vue fonctionnel, lorsqu’il s’agit de la façon dont l’énergie se dissipe d’un objet vibrant, ces filaments peuvent spécifiquement piéger les vibrations et empêcher leur fuite énergétique.
L’apprentissage automatique a guidé la synergie entre nanofabrication et optimisation de conception. La qualité mécanique a été tellement améliorée que les fréquences ont approché les 10 milliards de kilohertz. De telles fréquences mécaniques sont comparables à celles des résonateurs cryogéniques de pointe et des nanosphères lévitées.
Le professeur associé Richard Norte, en expliquant l’importance de la recherche, a déclaré:
« Imaginez une balançoire qui, une fois poussée, continue de se balancer pendant presque 100 ans parce qu’elle perd presque aucune énergie à travers les cordes. Nos nanofilaments font quelque chose de similaire, mais au lieu de vibrer une fois par seconde comme une balançoire, nos filaments vibrent 100 000 fois par seconde. Parce qu’il est difficile pour l’énergie de s’échapper, cela signifie également que le bruit environnemental a du mal à pénétrer, faisant de ces capteurs parmi les meilleurs pour les environnements à température ambiante. »
Le développement du processus de fabrication de la solution indique également un changement radical dans le domaine de la nanotechnologie. En expliquant la raison, le responsable des travaux de recherche, le Dr Andrea Cupertino, a déclaré que bien que les filaments mesurent 3 centimètres de long et 70 nanomètres d’épaisseur lorsqu’ils sont agrandis, ils sont équivalents à « fabriquer des cordes de guitare en verre suspendues à un demi‑kilomètre avec presque aucune flèche. »
Ces propriétés rendent la solution adaptée à des applications extrêmes du quotidien, ce qui aurait été très difficile à réaliser avec la perception actuelle de la nanotechnologie.
Le potentiel d’application de la solution
L’innovation ouvre de nouveaux horizons dans l’étude des phénomènes quantiques macroscopiques à température ambiante. Jusqu’à présent, l’étude a été masquée par le bruit. Cependant, les nanofilaments peuvent isoler ces bruits, rendant les lois de la mécanique quantique reconnaissables dans des filaments composés de milliards d’atomes. Ce phénomène était auparavant limité à des atomes isolés. Ce passage d’un atome unique à un filament d’atomes offre un grand potentiel pour la détection quantique dans les environnements quotidiens.
Les nanofilaments permettent également de construire des structures particulièrement utiles dans les dispositifs miniatures qui mesurent des grandeurs physiques telles que la pression, la température, l’accélération et les champs magnétiques, également connues sous le nom de capteurs MEMS.
Les scientifiques espèrent que la recherche ira au-delà des limites de la science appliquée telle que nous la connaissons jusqu’à présent et montrera comment des capteurs hautement sensibles peuvent être intégrés à la technologie microchip standard, déclenchant de nouvelles possibilités dans la détection basée sur les vibrations pour les chercheurs.
Si l’étude s’étend, elle pourrait conduire au développement de conceptions plus complexes capables de mesurer de nombreux paramètres cruciaux, tels que l’accélération pour la navigation inertielle ou une membrane vibrante pour les microphones de prochaine génération.
Depuis un certain temps, les chercheurs s’intéressent à l’évaluation du potentiel des capteurs de vibration comme technologie de surveillance non intrusive. Un examen des recherches disponibles a montré que les technologies de détection basées sur les vibrations pourraient être utiles dans divers domaines, notamment la surveillance humaine, des infrastructures, de la sécurité et de la santé.
Dans les sections suivantes, nous examinerons ces domaines d’application qui pourraient bénéficier de la recherche impliquant les vibrations de nanofilaments.
Comment les technologies de détection basées sur les vibrations nous aident à développer des solutions
Les technologies d’émission basées sur les vibrations sont extrêmement utiles en diagnostic et en santé. La raison est simple. Les ondes mécaniques qui se propagent dans notre corps en raison d’activités physiologiques naturelles sont des signaux révélateurs contenant des informations sur une multitude d’événements corporels, notamment l’orientation du corps, la respiration, le pouls, la démarche, la locomotion, etc. Capturer ces signaux mécaniques‑vibratoires nécessite des technologies de détection basées sur les vibrations sophistiquées.
Ces technologies de détection surveillent également une gamme de comportements humains, tels que les activités de la vie quotidienne (ADL) et plus encore. Il existe des capteurs inertiels comme les accéléromètres, les gyroscopes et les magnétomètres, des capteurs de santé physique comme les appareils d’électrocardiogramme, les capteurs de température cutanée et les capteurs de force/pression.
La détection basée sur les vibrations joue un rôle crucial pour assurer des déductions réussies avec tous ces capteurs. Ils offrent également des solutions précieuses dans ce que nous appelons les services d’inférence d’information d’occupation. Ces services incluent des scénarios tels que le suivi d’actifs, l’estimation du nombre de personnes dans un lieu, la logistique, la sécurité, etc.
Ces solutions aident à décrire la position des sujets par rapport à l’espace confiné dans lequel ils se trouvent. Elles aident également à l’identification humaine, permettant d’identifier les utilisateurs autorisés et les intrus ou de détecter une chute.
Un autre domaine de la détection basée sur les vibrations est la surveillance de la santé des infrastructures, notamment la détection de dommages sismiques aux bâtiments causés par les secousses et les tremblements de terre. De nos jours, ces solutions aident également en cas de tempêtes, d’ouragans et d’explosions en offrant une méthode scientifiquement prouvée d’évaluer la santé des infrastructures.
Plusieurs entreprises technologiques ont déjà développé des solutions populaires qui tirent parti des avantages de la détection basée sur les vibrations. La recherche que nous avons discutée ici les aiderait à progresser davantage. Un fournisseur de solutions reconnu mondialement est Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Les capteurs de surveillance conditionnelle de Rockwell Automation aident à réaliser des mesures de vibration et de position pour la plupart des applications dans des environnements à température extrême et des emplacements dangereux.
Les systèmes de sondes à courant de Foucault Bulletin 1442 de Rockwell, par exemple, aident à mesurer la vibration d’arbre, la référence de phase/vitesse et la position de rotor/traction sur les machines industrielles. Le produit suivant de la série, les capteurs accéléromètres Bulletin 1443, peuvent également mesurer les vibrations sur les machines industrielles. Il s’agit d’un accéléromètre sophistiqué avec une large gamme de fréquences allant de 0,2 Hz (12 CPM) à une fréquence très élevée jusqu’à 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation propose également une solution qui soutient les efforts de maintenance prédictive et fournit des diagnostics clés des vibrations des machines avec des collecteurs de données portables capables de mesurer, traiter, afficher et stocker une variété de fonctions d’analyse. En ce qui concerne le travail à basses fréquences, la solution peut descendre jusqu’à 0,2 Hz ou 12 kpm. Du côté des hautes fréquences, elle peut atteindre jusqu’à 30 kHz ou 1800 kpm. Elle peut également fonctionner à des températures très élevées, jusqu’à 260 °C ou 500 °F.
Les capteurs de vibration à sortie 4‑20 mA alimentés en boucle de Rockwell mesurent des signaux représentatifs du niveau global de vibration généré par de nombreux types de machines tournantes. Ses accéléromètres intrinsèquement sûrs possèdent des capacités spéciales pour répondre aux exigences d’un environnement dangereux.
Au cours de l’exercice fiscal 2023, Rockwell Automation a enregistré un chiffre d’affaires de plus de 9,058 milliards de dollars US, une augmentation considérable par rapport à son chiffre d’affaires de 7,76 milliards de dollars US en 2022.
#2. Omron
Une autre entreprise mondiale qui a réalisé un travail remarquable avec les technologies de détection basées sur les vibrations est Omron. Elle a construit le capteur sismique de classe la plus petite au monde, à haute précision. Le capteur de vibration compatible IoT porte le nom de marque D7S.
Le D7S est un capteur sismique qui aide à réduire les catastrophes secondaires causées par les tremblements de terre. Le capteur peut s’intégrer à n’importe quel dispositif grâce à sa taille ultra‑petite. En tant qu’indicateur sismique à intensité spectrale et haute précision, il rejette le bruit de vibration impulsionnelle et corrèle fortement avec les dommages subis par les structures. Le fait qu’il soit compatible IoT permet de créer des cartes sismiques et des cartes de secours.
Sur le plan des applications, il aide à prévenir les dommages secondaires dans les semi‑conducteurs, les usines chimiques et les panneaux de distribution. Les utilisateurs peuvent déployer ces capteurs dans leurs foyers, sur les panneaux de distribution, les systèmes de prévention des incendies et les appareils ménagers. La société dans son ensemble peut bénéficier de ces capteurs en les installant dans les compteurs d’électricité, les autoroutes, les ponts, les voies ferrées, etc.
Plusieurs autres caractéristiques distinguent le D7S de ses pairs. Par exemple, son capteur d’accélération à 3 axes et son algorithme de calcul de valeur SI unique donnent lieu à des modules compacts montables en surface et à une faible consommation d’énergie. Son degré de liberté relativement plus élevé le rend propice à l’intégration dans les appareils et à une longue durée de fonctionnement sur batterie. Surtout, son terminal de sortie d’arrêt (INT1) fonctionne de manière équivalente à un capteur de vibration mécanique conventionnel, assurant la compatibilité avec les capteurs de vibration mécaniques.
Au cours de l’exercice fiscal 2023, Omron a réalisé un chiffre d’affaires annuel de 890 milliards de yens, soit une hausse de moins de 2 % par rapport à son chiffre d’affaires de l’année précédente de 876,1 milliards de yens.
L’avenir de la détection basée sur les vibrations
Des chercheurs du monde entier mènent de nombreux projets de recherche intéressants dans le domaine des technologies et capteurs de détection basés sur les vibrations. En 2021, une équipe de chercheurs a proposé une solution appelée VibroTag qui pourrait fonctionner avec des smartphones dotés de différents matériels comme un schéma de détection basé sur les vibrations robuste et pratique.
Elle pouvait extraire des signatures de vibration fines de différentes surfaces, contournant les impacts du bruit environnemental et des irrégularités matérielles. Les chercheurs ont implémenté VibroTag sur deux téléphones Android différents et les ont évalués dans plusieurs environnements, recueillant des données de quatre individus pendant plusieurs jours consécutifs. VibroTag a atteint une précision moyenne de 86,55 % et a pu reconnaître 24 surfaces/emplacements différents, même lorsque certaines de ces surfaces étaient faites de matériaux similaires.
Un autre groupe de chercheurs de l’Unité Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) de l’Université de Bologne a proposé un nœud capteur (SN) innovant, à faible coût et à faible poids qui pourrait permettre le déploiement rapide de réseaux de capteurs pour la surveillance à long terme et en temps réel des émissions acoustiques (AE) et des vibrations (ACC). Le dispositif a été construit de manière à ce que la solution minimise considérablement la sensibilité au bruit externe. L’approche de surveillance proche du capteur a réduit drastiquement le volume des données brutes à traiter et à stocker pour les besoins de l’END et du SHM.
Une autre recherche qui combinait la nanotechnologie avec la détection basée sur les vibrations était un capteur de vibration à basse fréquence (LV‑TENG) basé sur un nanogénérateur triboélectrique à structure de poutre en cantilever. Ce capteur pouvait réaliser une détection de vibration haute précision tout en collectant efficacement l’énergie vibratoire.
Une expérience menée sur l’efficacité du LV‑TENG a donné des résultats très positifs. Il pouvait détecter correctement les vibrations de structure avec une fréquence de 0,1 Hz à 5,0 Hz et une amplitude de 2,0 mm à 10,0 mm. Même la tension de sortie suivait une relation linéaire positive avec la fréquence, le coefficient de corrélation ajusté atteignant jusqu’à 0,994. Les chercheurs étaient convaincus que le LV‑TENG pouvait offrir une nouvelle voie pour la surveillance des vibrations à basse fréquence et être utilisé pour l’analyse de la santé structurelle dans le génie maritime.
La surveillance indirecte et directe de la santé des infrastructures, des conditions de santé humaines et des schémas comportementaux peut grandement bénéficier à la vie humaine. Elle peut réduire les dommages et améliorer la vie tant des hommes que des machines. La détection basée sur les vibrations est un moyen efficace de réaliser de telles opérations de surveillance. L’incorporation de la nanotechnologie dans ces outils ou capteurs ne fait que simplifier les solutions, car elles sont hautement portables et peuvent être intégrées à des dispositifs portables ou non portables.
La technologie a également gagné beaucoup d’adhérence parce qu’elle est à faible coût et consomme peu d’énergie. En conséquence, c’est une solution qui répond aux besoins de la surveillance intérieure et extérieure. L’avenir, selon les chercheurs, verra davantage de recherches intenses sur les solutions non intrusives.
Sur le plan des applications, elle a le potentiel de répondre à un large éventail d’applications domestiques intelligentes et environnementales. Cependant, davantage de travail doit être effectué sur les capacités de traitement du signal et l’utilisation des techniques d’apprentissage automatique pour faire de ces capteurs un remplacement des mécanismes de détection conventionnels.
