Komputasi
Nanostring Membuka Frontier Baru untuk Sensor Berbasis Getaran yang Akan Diadopsi untuk Penggunaan Lebih Luas
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Mikrochip mutakhir dan sensor canggih adalah alat yang membantu kita melompat secara eksponensial di era komunikasi super cepat ini dan lainnya. Penelitian baru yang membuka jalan untuk membuat jenis nanostring baru yang bergetar lebih lama daripada objek padat apa pun yang pernah dikenal dapat menjadi terobosan. Ini dapat membantu mengintegrasikan sensor super-sensitif dengan teknologi mikrochip standar, menghasilkan paradigma baru dalam sensing berbasis getaran.
Sensor Paling Sensitif di Dunia: Mendorong Batas Nanoteknologi dan ML
Sebuah tim peneliti dari TU Delft dan Brown University telah menciptakan resonator yang menyerupai senar dan dapat bergetar lebih lama pada suhu ruang dibandingkan objek padat lain yang pernah kami ketahui sejauh ini. Hasil yang dihasilkan pada suhu ruang sebelumnya hanya dapat dicapai pada suhu mendekati nol mutlak sebelumnya.
Secara ilmiah, para peneliti telah memperkenalkan resonator nanomekanik yang memanjang hingga beberapa sentimeter sambil mempertahankan ketebalan dalam skala nanometer. Properti ini menghasilkan nanostring dengan kualitas mekanik tertinggi di antara semua objek penahan dalam lingkungan suhu ruang. Dalam kasus ini, objek penahan tersebut adalah mikrochip.
Para peneliti menggunakan teknik nanofabrikasi yang halus untuk mencapai hasil dengan tingkat keberhasilan tinggi.
Dari perspektif fungsional, ketika mempertimbangkan seberapa baik energi dipancarkan dari objek yang bergetar, senar-senar ini secara khusus dapat menjebak getaran dan mencegah energi mereka keluar.
Pembelajaran mesin membimbing sinergi antara nanofabrikasi dan optimasi desain. Kualitas mekanik meningkat begitu signifikan sehingga frekuensinya mendekati 10 miliar kilohertz. Frekuensi mekanik semacam itu sebanding dengan kinerja resonator kriogenik terkemuka dan nanospheres yang melayang.
Associate Professor Richard Norte, saat menjelaskan signifikansi penelitian, mengatakan:
“Bayangkan sebuah ayunan yang, setelah didorong, terus berayun hampir 100 tahun karena hampir tidak kehilangan energi melalui tali. Nanostring kami melakukan hal serupa, tetapi alih-alih bergetar sekali per detik seperti ayunan, senar kami bergetar 100.000 kali per detik. Karena energi sulit keluar, kebisingan lingkungan juga sulit masuk, menjadikan ini beberapa sensor terbaik untuk lingkungan suhu ruang.”
Pengembangan proses manufaktur solusi ini juga menunjukkan pergeseran radikal dalam ranah nanoteknologi. Menjelaskan alasannya, pemimpin upaya penelitian, Dr. Andrea Cupertino, mengatakan bahwa meskipun senar-senar ini berukuran 3 sentimeter panjang dan 70 nanometer tebal ketika diperbesar, mereka setara dengan ‘membuat senar gitar kaca yang digantung setengah kilometer dengan hampir tidak ada lengkungan.’
Properti ini membuat solusi cocok untuk aplikasi ekstrem sehari-hari, yang sebelumnya sangat sulit dicapai dengan cara kita memandang nanoteknologi.
Potensi Aplikasi Solusi
Inovasi ini membuka frontier baru dalam bidang studi fenomena kuantum makroskopik pada suhu ruang. Selama ini, studi tersebut terhalang oleh kebisingan. Namun, nanostring dapat mengisolasi kebisingan tersebut, membuat hukum mekanika kuantum dapat dikenali pada senar yang terdiri dari miliaran atom. Fenomena ini sebelumnya terbatas pada atom tunggal. Peralihan dari atom tunggal ke senar atom memiliki potensi besar untuk sensing berbasis kuantum di lingkungan sehari-hari.
Nanostring juga memungkinkan pembangunan struktur yang sangat berguna dalam perangkat miniatur yang mengukur kuantitas fisik seperti tekanan, suhu, percepatan, dan medan magnet, yang dikenal sebagai sensing MEMS.
Para ilmuwan berharap penelitian ini akan melampaui batas ilmu terapan yang selama ini kita kenal dan menunjukkan bagaimana sensor sangat sensitif dapat diintegrasikan dengan teknologi mikrochip standar, memicu potensi baru dalam sensing berbasis getaran untuk dijelajahi peneliti.
Jika diperluas cakupannya, studi ini dapat menghasilkan desain yang lebih kompleks yang mampu mengukur banyak parameter penting, seperti percepatan untuk navigasi inersia atau drum bergetar untuk mikrofon generasi berikutnya.
Selama cukup lama, peneliti tertarik menilai potensi sensor getaran sebagai teknologi pemantauan non-intrusif. Tinjauan penelitian yang tersedia menunjukkan bahwa teknologi sensing berbasis getaran dapat berguna dalam berbagai bidang, termasuk pemantauan manusia, infrastruktur, keselamatan, dan kesehatan.
Dalam segmen berikut, kami akan menelusuri area aplikasi yang dapat memperoleh manfaat dari penelitian yang melibatkan getaran nanostring.
Bagaimana Teknologi Sensing Berbasis Getaran Membantu Kami Mengembangkan Solusi
Teknologi pengiriman berbasis getaran sangat berguna dalam diagnostik dan perawatan kesehatan. Alasannya sederhana. Gelombang mekanik yang merambat melalui tubuh kita akibat aktivitas fisiologis alami merupakan sinyal revelatori yang berisi informasi tentang berbagai peristiwa tubuh, termasuk orientasi tubuh, pernapasan, denyut, cara berjalan, locomosi, dan lainnya. Menangkap sinyal mekanik-getaran ini memerlukan teknologi sensing berbasis getaran yang canggih.
Teknologi sensing ini juga memantau berbagai perilaku manusia, seperti Aktivitas Kehidupan Sehari-hari (ADL) dan lainnya. Ada sensor inersia seperti akselerometer, giroskop, dan magnetometer, sensor kesehatan fisik seperti perangkat elektrokardiogram, sensor suhu kulit, serta sensor gaya/tekanan.
Sensing berbasis getaran memiliki peran penting dalam memastikan deduksi yang berhasil pada semua sensor ini. Mereka juga menawarkan solusi berharga dalam apa yang kami sebut layanan inferensi informasi okupansi. Layanan ini mencakup skenario seperti pelacakan aset, memperkirakan jumlah orang di suatu tempat, logistik, keamanan, dll.
Solusi ini membantu menggambarkan posisi subjek relatif terhadap ruang terbatas tempat mereka berada. Ini juga membantu dalam identifikasi manusia. Membantu mengidentifikasi pengguna yang berwenang dan penyusup atau mendeteksi jatuh.
Bidang lain dari sensing berbasis getaran adalah pemantauan kesehatan infrastruktur, terutama mendeteksi kerusakan seismik pada bangunan yang disebabkan oleh guncangan dan kerusakan akibat gempa bumi. Saat ini, solusi tersebut juga membantu dalam kasus badai, topan, dan ledakan dengan menawarkan cara yang terbukti secara ilmiah untuk menilai kesehatan infrastruktur.
Beberapa perusahaan teknologi telah mengembangkan solusi populer yang memanfaatkan keunggulan sensing berbasis getaran. Penelitian yang kami bahas di sini akan membantu mereka membuat kemajuan lebih lanjut. Salah satu penyedia solusi yang diakui secara global adalah Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Sensor pemantauan kondisi Rockwell Automation membantu melakukan pengukuran getaran dan posisi untuk sebagian besar aplikasi di lingkungan suhu ekstrem dan lokasi berbahaya.
Bulletin 1442 Eddy Current Probe Systems milik Rockwell, misalnya, membantu mengukur getaran poros, referensi fase/kecepatan, dan posisi rotor/thrust pada mesin industri. Produk selanjutnya dalam seri ini, sensor Accelerometer Seri Bulletin 1443, juga dapat mengukur getaran pada mesin industri. Ini adalah akselerometer canggih dengan rentang frekuensi luas mulai dari 0,2 Hz (12 CPM) hingga frekuensi sangat tinggi hingga 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation juga memiliki solusi yang mendukung upaya pemeliharaan prediktif dan menyediakan diagnostik getaran mesin utama dengan pengumpul data portabel yang dapat mengukur, memproses, menampilkan, dan menyimpan berbagai fungsi analisis. Ketika bekerja pada frekuensi rendah, solusi ini dapat turun hingga 0,2 Hz atau 12 kpm. Pada sisi tinggi, dapat mencapai hingga 30 kHz atau 1800 kpm. Ia juga dapat beroperasi pada suhu sangat tinggi, hingga 260 derajat Celcius atau 500 derajat Fahrenheit.
Sensor getaran output 4-20 mA yang diberdayakan oleh loop Rockwell mengukur sinyal yang mewakili tingkat getaran keseluruhan yang dihasilkan oleh banyak jenis mesin berputar. Akselerometer intrinsik aman miliknya memiliki kemampuan khusus untuk memenuhi tuntutan lingkungan berbahaya.
Pada tahun fiskal 2023, Rockwell Automation mencatat pendapatan lebih dari US$9,058 miliar, peningkatan signifikan dibandingkan pendapatan 2022 sebesar US$7,76 miliar.
#2. Omron
Perusahaan global lain yang telah melakukan pekerjaan luar biasa dengan teknologi sensing berbasis getaran adalah Omron. Mereka telah membangun sensor seismik kelas terkecil di dunia dengan presisi tinggi. Sensor getaran yang ramah IoT ini berada di bawah merek D7S.
D7S adalah sensor seismik yang membantu mengurangi bencana sekunder akibat gempa bumi. Sensor ini dapat dipasang pada perangkat apa pun karena ukurannya yang sangat kecil. Sebagai indikator gempa dengan intensitas spektral tinggi, ia menolak kebisingan getaran impuls dan sangat berkorelasi dengan kerusakan yang terjadi pada struktur. Fakta bahwa sensor ini ramah IoT membantu membuat peta gempa dan peta penyelamatan.
Dari segi aplikasi, sensor ini membantu mencegah kerusakan sekunder pada semikonduktor, pabrik kimia, dan panel distribusi. Pengguna dapat memasang sensor ini di rumah mereka pada panel distribusi, sistem pencegahan kebakaran, dan peralatan rumah tangga. Masyarakat, pada gilirannya, dapat memperoleh manfaat dari sensor ini dengan menempatkannya pada meter listrik, jalan tol, jembatan, rel kereta, dan lainnya.
Beberapa fitur lain membuat D7S menonjol dibandingkan pesaingnya. Misalnya, Sensor percepatan 3‑axis dan algoritma perhitungan nilai SI unik menghasilkan modul kompak yang dapat dipasang pada permukaan dan konsumsi daya rendah. Derajat kebebasan yang relatif lebih tinggi membuatnya mudah diintegrasikan ke dalam perangkat dan beroperasi lama dengan daya baterai. Yang paling penting, terminal output shutoff (INT1) beroperasi setara dengan sensor getaran mekanik konvensional, memastikan kompatibilitas dengan sensor getaran mekanik.
Pada Tahun Fiskal 2023, Omron memperoleh pendapatan tahunan sebesar 890 miliar yen, peningkatan kurang dari 2% dibandingkan pendapatan tahun sebelumnya sebesar 876,1 miliar yen.
Masa Depan Sensing Berbasis Getaran
Peneliti di seluruh dunia sedang melakukan banyak proyek penelitian menarik di bidang teknologi dan sensor berbasis getaran. Pada tahun 2021, tim peneliti mengusulkan solusi bernama VibroTag yang dapat bekerja dengan smartphone dengan perangkat keras berbeda sebagai skema sensing berbasis getaran yang kuat dan praktis.
VibroTag dapat mengekstrak tanda tangan getaran halus dari berbagai permukaan, melewati dampak kebisingan lingkungan dan ketidakteraturan perangkat keras. Peneliti mengimplementasikan VibroTag pada dua ponsel Android berbeda dan mengevaluasinya di berbagai lingkungan, mengumpulkan data dari empat individu selama beberapa hari berturut‑turut. VibroTag mencapai akurasi rata‑rata 86,55 persen dan dapat mengenali 24 lokasi/permukaan berbeda, bahkan ketika beberapa permukaan terbuat dari material serupa.
Kelompok peneliti lain dari sayap Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) Universitas Bologna mengusulkan Sensor Node (SN) inovatif, berbiaya rendah, dan ringan yang dapat menghasilkan jaringan sensor yang dapat dipasang cepat untuk pemantauan emisi akustik (AE) dan getaran (ACC) jangka panjang dan waktu nyata. Setup tersebut dibangun sedemikian rupa sehingga solusi dapat secara signifikan meminimalkan sensitivitas terhadap kebisingan eksternal. Pendekatan pemantauan dekat sensor mengurangi volume data mentah secara drastis yang harus diproses dan disimpan untuk tujuan NDT dan SHM.
Penelitian lain yang menggabungkan nanoteknologi dengan sensing berbasis getaran adalah sensor getaran frekuensi rendah (LV‑TENG) berbasis nanogenerator triboelektrik dengan struktur balok cantilever. Sensor ini dapat melakukan sensing getaran berpresisi tinggi sambil secara efektif mengumpulkan energi getaran.
Eksperimen yang dilakukan pada efisiensi LV‑TENG sangat positif. Sensor ini dapat secara akurat mendeteksi getaran struktur dengan frekuensi 0,1 Hz hingga 5,0 Hz dan amplitudo 2,0 mm hingga 10,0 mm. Bahkan tegangan output menunjukkan hubungan linear positif dengan frekuensi, dengan koefisien korelasi terpasang mencapai 0,994. Peneliti yakin bahwa LV‑TENG dapat membuka jalur baru untuk pemantauan getaran frekuensi rendah dan digunakan untuk analisis pemantauan kesehatan struktural dalam rekayasa kelautan.
Pemantauan tidak langsung dan langsung terhadap kesehatan infrastruktur, kondisi kesehatan manusia, dan pola perilaku dapat sangat menguntungkan kehidupan manusia. Hal ini dapat mengurangi kerusakan dan meningkatkan kualitas hidup baik manusia maupun mesin. Sensing berbasis getaran merupakan cara efektif untuk melakukan pemantauan semacam itu. Incorporasi nanoteknologi dalam alat atau sensor ini hanya membuat solusi lebih mudah digunakan, karena sangat portabel dan dapat menjadi bagian dari perangkat yang dapat dipakai atau tidak dapat dipakai.
Teknologi ini juga mendapatkan banyak perhatian karena biayanya yang rendah dan konsumsi daya yang sedikit. Akibatnya, solusi ini cocok untuk kebutuhan pemantauan baik dalam ruangan maupun luar ruangan. Masa depan, menurut para peneliti, akan melihat lebih banyak penelitian intensif pada solusi non‑intrusif.
Dari segi aplikasi, teknologi ini berpotensi melayani spektrum luas aplikasi rumah pintar dan lingkungan. Namun, masih diperlukan lebih banyak kerja pada kemampuan pemrosesan sinyal dan pemanfaatan teknik pembelajaran mesin untuk menjadikan sensor ini pengganti mekanisme sensing konvensional.
