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I Nanostring Aprono Nuove Frontiere per i Sensori a Vibrazione da Adottare per un Uso più Ampio
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I microchip all’avanguardia e i sensori sofisticati sono strumenti che ci aiutano a compiere salti esponenziali in quest’epoca di comunicazioni ultra-veloci e altro ancora. Nuove ricerche che aprono la strada alla creazione di un nuovo tipo di nanostring che vibra più a lungo di qualsiasi oggetto a stato solido precedentemente conosciuto possono rivelarsi una svolta. Potrebbe aiutare a integrare sensori super-sensibili con la tecnologia dei microchip standard, dando vita a un nuovo paradigma nel rilevamento basato sulla vibrazione.
I Sensori più Sensibili al Mondo: Spingendo i Confini della Nanotecnologia e del Machine Learning
Un team di ricercatori della TU Delft e della Brown University ha ideato risonatori che somigliano a corde e può vibrare più a lungo a temperatura ambiente rispetto a qualsiasi altro oggetto a stato solido conosciuto finora. I risultati ottenuti a temperatura ambiente potevano essere raggiunti solo a temperature prossime allo zero assoluto in precedenza.
Scientificamente parlando, i ricercatori hanno presentato risonatori nanomeccanici che si estendono per centimetri di lunghezza mantenendo uno spessore di nanometri. Questa proprietà genera nanostring con la più alta qualità meccanica tra tutti gli oggetti di fissaggio in ambienti a temperatura ambiente. In questo caso, l’oggetto di fissaggio è un microchip.
I ricercatori hanno impiegato delicate tecniche di nanofabbricazione che hanno aiutato a ottenere alti rendimenti.
Per spiegare dal punto di vista funzionale, per quanto riguarda l’efficienza con cui l’energia si disperde da un oggetto vibrante, queste corde potevano specificamente intrappolare le vibrazioni e impedire che la loro energia si disperdesse.
Il machine learning ha guidato la sinergia tra nanofabbricazione e ottimizzazione del design. La qualità meccanica è stata così migliorata che le frequenze hanno raggiunto i 10 miliardi di kilohertz. Tali frequenze meccaniche sono comparabili a quelle dei principali risonatori criogenici e delle nanosfere levitate.
Il professore associato Richard Norte, spiegando l’importanza della ricerca, ha dichiarato quanto segue:
“Immaginate un’altalena che, una volta spinta, continua a dondolare per quasi 100 anni perché perde quasi nessuna energia attraverso le corde. I nostri nanostring fanno qualcosa di simile, ma invece di vibrare una volta al secondo come un’altalena, le nostre corde vibrano 100.000 volte al secondo. Poiché è difficile per l’energia fuoriuscire, significa anche che il rumore ambientale è difficile da introdurre, rendendo questi tra i migliori sensori per ambienti a temperatura ambiente.”
Lo sviluppo del processo di produzione della soluzione indica anche un cambiamento radicale nel campo della nanotecnologia. Spiegando il motivo, il capo dei lavori di ricerca, il dott. Andrea Cupertino, ha affermato che sebbene le corde siano lunghe 3 centimetri e spesse 70 nanometri quando scalate, sono equivalenti a ‘fabbricare corde per chitarra di vetro sospese a mezzo chilometro con quasi nessuna flessione.’
Queste proprietà rendono la soluzione adatta a applicazioni estreme quotidiane, che finora sarebbero state molto difficili da realizzare con la nostra percezione della nanotecnologia.
Il Potenziale di Applicazione della Soluzione
L’innovazione apre nuove frontiere nello studio dei fenomeni quantistici macroscopici a temperatura ambiente. Finora, lo studio è stato mascherato dal rumore. Tuttavia, le nanostring possono isolare quel rumore, rendendo le leggi della meccanica quantistica riconoscibili in corde composte da miliardi di atomi. Questo fenomeno era in precedenza limitato a singoli atomi. Questo passaggio da un singolo atomo a una corda di atomi ha un grande potenziale per il rilevamento basato sulla quantistica negli ambienti quotidiani.
Le nanostring consentono anche di costruire strutture particolarmente utili in dispositivi miniaturizzati che misurano grandezze fisiche come pressione, temperatura, accelerazione e campi magnetici, noti anche come sensori MEMS.
Gli scienziati sperano che la ricerca superi i confini della scienza applicata come l’abbiamo conosciuta finora e ci mostri come sensori ad altissima sensibilità possano essere integrati con la tecnologia dei microchip standard, aprendo nuove potenzialità nel rilevamento basato sulla vibrazione da esplorare per i ricercatori.
Se ampliata in portata, lo studio potrebbe portare allo sviluppo di progetti più complessi capaci di misurare numerosi parametri cruciali, come l’accelerazione per la navigazione inerziale o una membrana vibrante per microfoni di nuova generazione.
Da tempo, i ricercatori sono interessati a valutare il potenziale dei sensori di vibrazione come tecnologia di monitoraggio non invasiva. Una revisione della ricerca disponibile ha mostrato che le tecnologie di rilevamento basate sulla vibrazione potrebbero rivelarsi utili in diversi ambiti, inclusi il monitoraggio umano, delle infrastrutture, della sicurezza e della salute.
Nei segmenti seguenti, esamineremo queste aree di applicazione che potranno beneficiare della ricerca sulle vibrazioni delle nanostring.
Come le Tecnologie di Rilevamento Basate sulla Vibrazione Ci Aiutano a Sviluppare Soluzioni
Le tecnologie di trasmissione basate sulla vibrazione sono estremamente utili nella diagnostica e nella sanità. Il motivo è semplice. Le onde meccaniche che si propagano nel nostro corpo a causa delle attività fisiologiche naturali sono segnali rivelatori contenenti informazioni su una moltitudine di eventi corporei, inclusi l’orientamento del corpo, la respirazione, il battito, il passo, la locomozione e altro. Catturare questi segnali meccanico-vibratori richiede tecnologie di rilevamento basate sulla vibrazione sofisticate.
Queste tecnologie di rilevamento monitorano anche una serie di comportamenti umani, come le Attività della Vita Quotidiana (ADL) e altro. Esistono sensori inerziali come accelerometri, giroscopi e magnetometri, sensori di salute fisica come dispositivi elettrocardiogramma, sensori di temperatura della pelle e sensori di forza/pressione.
Il rilevamento basato sulla vibrazione ha un ruolo cruciale nel garantire deduzioni accurate in tutti questi sensori. Offrono anche soluzioni valide in quello che chiamiamo servizi di inferenza delle informazioni di occupazione. Questi servizi includono scenari come il tracciamento dei beni, la stima del numero di persone in un luogo, la logistica, la sicurezza, ecc.
Queste soluzioni aiutano a descrivere la posizione dei soggetti rispetto allo spazio confinato in cui si trovano. Aiuta anche nell’identificazione umana. Consente di identificare utenti autorizzati e intrusi o di rilevare una caduta.
Un’altra area del rilevamento basato sulla vibrazione è il monitoraggio della salute delle infrastrutture, in particolare la rilevazione di danni sismici agli edifici causati da scosse e danni da terremoti. Oggi, queste soluzioni aiutano anche in caso di tempeste, uragani ed esplosioni offrendo un metodo scientificamente provato per valutare la salute delle infrastrutture.
Diverse aziende tecnologiche hanno già sviluppato soluzioni popolari che sfruttano i vantaggi del rilevamento basato sulla vibrazione. La ricerca di cui abbiamo discusso qui li aiuterebbe a fare ulteriori progressi. Uno di questi fornitori di soluzioni riconosciuti a livello globale è Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
I sensori di monitoraggio delle condizioni di Rockwell Automation aiutano a eseguire misurazioni di vibrazione e posizione per la maggior parte delle applicazioni in ambienti a temperature estreme e in luoghi pericolosi.
I sistemi di sonde a correnti di Eddy Bulletin 1442 di Rockwell, ad esempio, aiutano a misurare la vibrazione dell’albero, il riferimento di fase/velocità e la posizione del rotore/spinta su macchinari industriali. Il prodotto successivo della serie, i sensori accelerometri della serie Bulletin 1443, possono anche misurare la vibrazione su macchinari industriali. Si tratta di un accelerometro sofisticato con un’ampia gamma di frequenze che parte da 0,2 Hz (12 CPM) fino a una frequenza molto alta di 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation offre anche una soluzione che supporta gli sforzi di manutenzione predittiva e fornisce diagnostica delle vibrazioni delle macchine chiave con raccoglitori di dati portatili in grado di misurare, elaborare, visualizzare e archiviare una varietà di funzioni di analisi. Per quanto riguarda le basse frequenze, la soluzione può arrivare fino a 0,2 Hz o 12 kpm. Nella gamma più alta, può raggiungere 30 kHz o 1800 kpm. Può inoltre operare a temperature molto elevate, fino a 260 gradi centigradi o 500 gradi Fahrenheit.
I sensori di vibrazione a loop alimentato, con uscita 4-20 mA di Rockwell misurano segnali rappresentativi dei livelli complessivi di vibrazione generati da molti tipi di macchinari rotanti. I suoi accelerometri intrinsecamente sicuri hanno capacità speciali per soddisfare le esigenze di un ambiente pericoloso.
Nell’anno fiscale 2023, Rockwell Automation ha registrato un fatturato di oltre 9,058 miliardi di dollari USA, un notevole aumento rispetto al fatturato del 2022 di 7,76 miliardi di dollari USA.
#2. Omron
Un’altra azienda globale che ha svolto un lavoro eccellente con le tecnologie di rilevamento basate sulla vibrazione è Omron. Ha realizzato il sensore sismico ad alta precisione della più piccola classe al mondo. Il sensore di vibrazione compatibile con l’IoT è commercializzato con il nome D7S.
D7S è un sensore sismico che aiuta a ridurre i disastri secondari derivanti dai terremoti. Il sensore può adattarsi a qualsiasi dispositivo grazie alle sue dimensioni ultra-compatte. Essere un indicatore sismico ad alta precisione di intensità spettrale lo aiuta a rifiutare il rumore di vibrazione impulsiva e a correlare fortemente con i danni subiti dalle strutture. Il fatto che sia compatibile con l’IoT lo aiuta a creare mappe dei terremoti e mappe di soccorso.
Dal punto di vista delle applicazioni, aiuta a prevenire danni secondari in semiconduttori, impianti chimici e quadri di distribuzione. Gli utenti possono installare questi sensori nelle loro case, nei quadri di distribuzione, nei sistemi antincendio e negli elettrodomestici. La società, nel frattempo, può beneficiare di questi sensori avendoli nei contatori elettrici, autostrade, ponti, ferrovie e altro.
Altre numerose caratteristiche aiutano D7S a distinguersi dai concorrenti. Ad esempio, il suo sensore di accelerazione a 3 assi e l’algoritmo unico di calcolo del valore SI producono moduli compatti montabili in superficie e a basso consumo energetico. Il suo relativamente più alto grado di libertà lo rende adatto all’integrazione nei dispositivi e al funzionamento prolungato con alimentazione a batteria. Soprattutto, il suo terminale di uscita di spegnimento (INT1) opera in modo equivalente a un sensore di vibrazione meccanico convenzionale, garantendo la compatibilità con i sensori di vibrazione meccanici.
Nell’Anno Fiscale 2023, Omron ha guadagnato un fatturato annuo di 890 miliardi di yen, un aumento inferiore al 2% rispetto al fatturato dell’anno precedente di 876,1 miliardi di yen.
Il Futuro del Rilevamento Basato sulla Vibrazione
I ricercatori di tutto il mondo stanno conducendo numerosi progetti di ricerca interessanti nell’ambito delle tecnologie e dei sensori di rilevamento basati sulla vibrazione. Nel 2021, un team di ricercatori ha proposto una soluzione chiamata VibroTag che potrebbe funzionare con smartphone con hardware diverso come schema di rilevamento basato sulla vibrazione robusto e pratico.
Poteva estrarre firme di vibrazione ad alta risoluzione di diverse superfici, superando gli effetti del rumore ambientale e delle irregolarità hardware. I ricercatori hanno implementato VibroTag su due diversi telefoni Android e li hanno valutati in molteplici ambienti, raccogliendo dati da quattro individui per un numero prolungato di giorni. VibroTag ha raggiunto un’accuratezza media dell’86,55% e poteva riconoscere 24 diverse posizioni/superfici, anche quando alcune di queste superfici erano fatte di materiale simile.
Un altro gruppo di ricercatori dell’unità Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) dell’Università di Bologna ha proposto un Nodo Sensore (SN) innovativo, a basso costo e leggero che potrebbe fornire reti di sensori rapidamente distribuibili per il monitoraggio a lungo termine e in tempo reale dell’emissione acustica (AE) e della vibrazione (ACC). L’installazione è stata costruita in modo tale che la soluzione potesse ridurre significativamente la sensibilità al rumore esterno. L’approccio di monitoraggio vicino al sensore ha ridotto drasticamente il volume dei dati grezzi da elaborare e archiviare per scopi di NDT e SHM.
Un’altra ricerca che ha combinato nanotecnologia con il rilevamento basato sulla vibrazione ha prodotto un sensore di vibrazione a bassa frequenza (LV-TENG) basato su un nanogeneratore triboelettrico a struttura a trave a cantilever. Questo sensore poteva eseguire rilevamenti di vibrazione ad alta precisione raccogliendo efficacemente energia vibrazionale.
Un esperimento condotto sull’efficienza del LV-TENG è stato più che positivo. È stato in grado di rilevare correttamente le vibrazioni della struttura con una frequenza da 0,1 Hz a 5,0 Hz e un’ampiezza da 2,0 mm a 10,0 mm. Anche la tensione di uscita ha seguito una relazione lineare positiva con la frequenza, con il coefficiente di correlazione adattato che ha raggiunto un valore alto di 0,994. I ricercatori hanno confermato che il LV-TENG potrebbe offrire una nuova via per il monitoraggio delle vibrazioni a bassa frequenza e essere utilizzato per l’analisi del monitoraggio della salute strutturale nell’ingegneria marina.
Il monitoraggio indiretto e diretto della salute delle infrastrutture, delle condizioni di salute umana e dei modelli comportamentali può beneficiare enormemente la vita umana. Può ridurre i danni e migliorare la vita sia dell’uomo che della macchina. Il rilevamento basato sulla vibrazione è un modo efficace per svolgere tali esercizi di monitoraggio. L’incorporazione della nanotecnologia in questi strumenti o sensori di rilevamento rende le soluzioni più facili da usare, poiché sono altamente portatili e possono essere integrate come parti di dispositivi indossabili o non indossabili.
La tecnologia ha anche guadagnato molta trazione perché è a basso costo e consuma meno energia. Di conseguenza, è una soluzione che soddisfa le esigenze sia del monitoraggio indoor che outdoor. Il futuro, secondo i ricercatori, vedrà una ricerca più intensa su soluzioni non invasive.
Dal punto di vista delle applicazioni, ha il potenziale per soddisfare un ampio spettro di applicazioni per la casa intelligente e l’ambiente. Tuttavia, è necessario fare più lavoro sulle capacità di elaborazione del segnale e sull’utilizzo di tecniche di machine learning per rendere questi sensori un sostituto dei meccanismi di rilevamento convenzionali.
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