Computing
Nanostrings openen nieuwe grenzen voor vibratiegebaseerde sensoren die breder kunnen worden toegepast
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Snijpunt microchips en geavanceerde sensoren zijn hulpmiddelen die ons helpen exponentiële sprongen te maken in dit tijdperk van supersnelle communicatie en meer. Nieuw onderzoek dat de weg vrijmaakt voor het maken van een nieuw type nanostring dat langer trilt dan elk eerder bekend vastestoffenobject, kan een doorbraak blijken te zijn. Het kan helpen supergevoelige sensoren te integreren met standaard microchiptechnologie, wat resulteert in een nieuw paradigma voor vibratiegebaseerde detectie.
De meest gevoelige sensoren ter wereld: Grenzen verleggen voor nanotechnologie en ML
Een team van onderzoekers van TU Delft en Brown University heeft ontwikkeld resonatoren die op snaren lijken en kan langer trillen bij kamertemperatuur dan elk ander vastestoffenobject dat we tot nu toe hebben gekend. De resultaten die het bij kamertemperatuur heeft opgeleverd, konden alleen worden bereikt bij ongeveer het absolute nulpunt eerder.
Wetenschappelijk gezien hebben de onderzoekers nanomechanische resonatoren gepresenteerd die centimeters lang zijn terwijl ze een dikte van nanometers behouden. Deze eigenschap resulteert in nanosnaren die de hoogste mechanische kwaliteit hebben van alle klemobjecten in kamertemperatuuromgevingen. In dit geval is het klemobject een microchip.
De onderzoekers hebben ingezet delicate nanofabricatietechnieken die hielpen hoge opbrengsten te realiseren.
Om vanuit een functioneel perspectief uit te leggen, wanneer het ging om hoe goed energie uit een trillend object weggalmde, konden deze snaren specifiek trillingen vasthouden en hun energie niet laten lekken.
Machine learning begeleidde de synergie tussen nanofabricatie en ontwerpoptimalisatie. De mechanische kwaliteit was zo verbeterd dat de frequenties 10 miljard kilohertz benaderden. Dergelijke mechanische frequenties zijn vergelijkbaar met de prestaties van toonaangevende cryogene resonatoren en zwevende nanosphères.
Associate Professor Richard Norte, terwijl hij de betekenis van het onderzoek uitlegt, zei het volgende:
“Stel je een schommel voor die, eenmaal geduwd, bijna 100 jaar blijft schommelen omdat hij bijna geen energie verliest via de touwen. Onze nanosnaren doen iets soortgelijks, maar in plaats van één keer per seconde te trillen zoals een schommel, trillen onze snaren 100.000 keer per seconde. Omdat het moeilijk is voor energie om te lekken, betekent dit ook dat omgevingsgeluid moeilijk binnenkomt, waardoor dit enkele van de beste sensoren zijn voor kamertemperatuuromgevingen.”
De ontwikkeling van het productieproces van de oplossing duidt ook op een radicale verschuiving binnen het domein van nanotechnologie. Leggend de reden uit, zei de leider van de onderzoeksteams, Dr. Andrea Cupertino, dat hoewel de snaren 3 centimeter lang en 70 nanometer dik zijn wanneer opgeschaald, ze gelijk staan aan ‘het vervaardigen van glazensnaren voor gitaren die een halve kilometer worden opgehangen met bijna geen doorhang.’
Deze eigenschappen maken de oplossing geschikt voor extreme alledaagse toepassingen, die tot nu toe zeer moeilijk te realiseren waren met onze perceptie van nanotechnologie.
Het toepassingspotentieel van de oplossing
De innovatie opent nieuwe grenzen op het gebied van het bestuderen van macroniveau kwantumverschijnselen bij kamertemperatuur. Tot nu toe is de studie verdoezeld door ruis. Echter, de nanosnaren kunnen die ruis isoleren, waardoor de wetten van de kwantummechanica herkenbaar worden in snaren bestaande uit miljarden atomen. Dit fenomeen was eerder beperkt tot enkele atomen. Deze verschuiving van een enkel atoom naar een atoomstring heeft veel potentieel voor kwantumgebaseerde detectie in alledaagse omgevingen.
De nanosnaren maken ook de bouw van structuren mogelijk die bijzonder nuttig zijn in miniatuurobjecten die fysieke grootheden meten zoals druk, temperatuur, versnelling en magnetische velden, ook wel bekend als MEMS-detectie.
Wetenschappers hopen dat het onderzoek de grenzen van toegepaste wetenschap, zoals we die tot nu toe kennen, zal overstijgen en ons zal laten zien hoe hooggevoelige sensoren kunnen worden geïntegreerd met standaard microchiptechnologie, waardoor er nieuw potentieel ontstaat in vibratiegebaseerde detectie voor onderzoekers om te verkennen.
Indien de reikwijdte wordt uitgebreid, kan de studie leiden tot de ontwikkeling van complexere ontwerpen die veel cruciale parameters kunnen meten, zoals versnelling voor inertiële navigatie of een trillend drumvel voor de volgende generatie microfoons.
Al geruime tijd zijn onderzoekers geïnteresseerd in het beoordelen van het potentieel van vibratiesensoren als een niet-invasieve monitoringstechnologie. Een overzicht van beschikbare onderzoeken toonde aan dat vibratiegebaseerde detectietechnologieën nuttig kunnen zijn in diverse gebieden, waaronder menselijk, infrastructuur, veiligheid en gezondheidsmonitoring.
In de volgende segmenten zullen we deze toepassingsgebieden bekijken die kunnen profiteren van het onderzoek naar nanostringtrillingen.
Hoe vibratiegebaseerde detectietechnologieën ons helpen oplossingen te ontwikkelen
Vibratiegebaseerde zendtechnologieën zijn enorm nuttig in diagnostiek en gezondheidszorg. De reden is simpel. De mechanische golven die door ons lichaam voortplanten als gevolg van natuurlijke fysiologische activiteiten zijn onthullende signalen die informatie bevatten over tal van lichaamsgebeurtenissen, waaronder lichaamshouding, ademhaling, pols, gang, locomotie en meer. Het vastleggen van deze mechanisch‑vibrerende signalen vereist geavanceerde vibratiegebaseerde detectietechnologieën.
Deze detectietechnologieën monitoren ook een reeks menselijk gedrag, zoals dagelijkse activiteiten (ADL) en meer. Er zijn inertiële sensoren zoals versnellingsmeters, gyroscopen en magnetometers, fysieke gezondheidssensoren zoals elektrocardiogramapparaten, huidtemperatuursensoren en kracht-/druksensoren.
Vibratiegebaseerde detectie speelt een cruciale rol bij het waarborgen van succesvolle afleidingen in al deze sensoren. Ze bieden ook waardevolle oplossingen in wat we bezettingsinformatie‑inferenceservices noemen. Deze diensten omvatten scenario’s zoals asset‑tracking, het schatten van het aantal mensen op een locatie, logistiek, beveiliging, enz.
Deze oplossingen helpen de positie van de subjecten ten opzichte van de beperkte ruimte waarin ze zich bevinden te beschrijven. Het helpt ook bij menselijke identificatie. Het helpt geautoriseerde gebruikers en indringers te identificeren of een val te detecteren.
Een ander gebied van vibratiegebaseerde detectie is het monitoren van de gezondheid van infrastructuur, met name het detecteren van seismische schade aan gebouwen veroorzaakt door schokken en schade door aardbevingen. Tegenwoordig helpen deze oplossingen ook bij stormen, orkanen en explosies door een wetenschappelijk onderbouwde manier te bieden om de gezondheid van infrastructuur te beoordelen.
Verschillende technologiebedrijven hebben al populaire oplossingen ontwikkeld die profiteren van de voordelen van vibratiegebaseerde detectie. Het onderzoek dat we hier hebben besproken zou hen helpen verdere vooruitgang te boeken. Een dergelijke wereldwijd erkende oplossingsleverancier is Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
De conditiebewakingssensoren van Rockwell Automation helpen trillings- en positiemetingen uit te voeren voor de meeste toepassingen in extreme temperatuuromgevingen en gevaarlijke locaties.
Rockwells Bulletin 1442 Eddy Current Probe Systemen helpen bijvoorbeeld de trilling van assen, fase/snelheidsreferentie en rotor-/stuwingspositie op industriële machines te meten. Het volgende product in de serie, Bulletin 1443 Series Versnellingssensoren, kan ook trillingen op industriële machines meten. Het is een geavanceerde versnellingsmeter met een breed frequentiebereik van 0,2 Hz (12 CPM) tot een zeer hoge frequentie van 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation heeft ook een oplossing die voorspellend onderhoud ondersteunt en belangrijke trillingsdiagnostiek van machines biedt met draagbare dataverzamelers die een verscheidenheid aan analysefuncties kunnen meten, verwerken, weergeven en opslaan. Wat lage frequenties betreft, kan de oplossing tot 0,2 Hz of 12 kpm gaan. Aan de hogere kant kan deze tot 30 kHz of 1800 kpm gaan. Het kan ook werken bij zeer hoge temperaturen, tot 260 graden Celsius of 500 graden Fahrenheit.
Rockwells lus‑gevoede, 4‑20 mA uitgangs‑trillingssensoren meten signalen die representatief zijn voor de algehele trillingsniveaus die door veel soorten roterende machines worden gegenereerd. De intrinsiek veilige versnellingsmeters hebben speciale mogelijkheden om te voldoen aan de eisen van een gevaarlijke omgeving.
In het fiscale jaar 2023, Rockwell Automation registreerde een omzet van meer dan US$9,058 miljard, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de omzet van US$7,76 miljard in 2022.
#2. Omron
Een ander wereldwijd bedrijf dat uitstekend werk levert met vibratiegebaseerde detectietechnologieën is Omron. Het heeft de kleinste klassegrootte, hoogprecisie seismische sensor ter wereld gebouwd. De IoT‑vriendelijke trillingssensor draagt de merknaam D7S.
D7S is een seismische sensor die helpt secundaire rampen door aardbevingen te verminderen. De sensor past in elk apparaat dankzij zijn ultrakleine formaat. Het zijn van een spectrale intensiteit hoogprecisie aardbevingsindicator helpt het impuls‑trillingsruis te onderdrukken en sterk te correleren met schade aan structuren. Het feit dat hij IoT‑vriendelijk is, helpt bij het maken van aardbevingskaarten en reddingskaarten.
Wat de toepassingen betreft, helpt het secundaire schade te voorkomen in halfgeleiders, chemische fabrieken en verdeelpanelen. Gebruikers kunnen deze sensoren in hun huizen inzetten bij verdeelpanelen, brandpreventiesystemen en huishoudelijke apparaten. De samenleving kan ondertussen profiteren van deze sensoren door ze te plaatsen in elektriciteitsmeters, snelwegen, bruggen, spoorwegen en meer.
Verschillende andere kenmerken maken D7S onderscheidend ten opzichte van zijn concurrenten. Bijvoorbeeld, de 3‑as versnellingssensor en unieke SI‑waarde‑berekeningsalgoritme resulteren in oppervlakte‑montabele compacte modules en laag stroomverbruik. De relatief hogere vrijheidsgraden maken het geschikt voor integratie in apparaten en langdurige werking op batterijvoeding. Het belangrijkste is dat de uitschakel‑uitgangsterminal (INT1) functioneert als een conventionele mechanische trillingssensor, waardoor compatibiliteit met mechanische trillingssensoren wordt gegarandeerd.
In het fiscale jaar 2023 verdiende Omron een jaarlijkse omzet van 890 miljard yen, een stijging van minder dan 2 % ten opzichte van de omzet van het voorgaande jaar van 876,1 miljard yen.
De toekomst van vibratiegebaseerde detectie
Onderzoekers wereldwijd voeren vele interessante onderzoeksprojecten uit op het gebied van vibratiegebaseerde detectietechnologieën en sensoren. In 2021 stelde een team van onderzoekers een oplossing genaamd VibroTag voor die kon werken met smartphones met verschillende hardware als een robueme en praktische vibratiegebaseerde detectieschema.
Het kon fijne trillingshandtekeningen van verschillende oppervlakken extraheren, waarbij de impact van omgevingsgeluid en hardware‑irregulariteiten werd omzeild. De onderzoekers implementeerden VibroTag op twee verschillende Android‑telefoons en evalueerden ze in meerdere omgevingen, waarbij gegevens van vier personen gedurende een aantal dagen werden verzameld. VibroTag behaalde een gemiddelde nauwkeurigheid van 86,55 % en kon 24 verschillende locaties/oppervlakken herkennen, zelfs wanneer sommige van die oppervlakken van vergelijkbaar materiaal waren.
Een andere groep onderzoekers van de Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) tak van de Universiteit van Bologna stelde een innovatieve, goedkope en lichtgewicht Sensor Node (SN) voor die snelle inzetbare sensornetwerken kan opleveren voor langdurige en realtime akoestische emissie (AE) en vibratie (ACC) monitoring. De opstelling werd zo gebouwd dat de oplossing de gevoeligheid voor externe ruis aanzienlijk kon minimaliseren. De sensor‑nabije monitoringsaanpak verminderde het volume van de ruwe data drastisch die verwerkt en opgeslagen moest worden voor NDT‑ en SHM‑doeleinden.
Een ander onderzoek dat nanotechnologie combineerde met vibratiegebaseerde detectie was een laagfrequente trillingssensor (LV‑TENG) gebaseerd op een cantilever‑balk‑gestructureerde tribo‑elektrische nanogenerator. Deze sensor kon hoogprecisie trillingsdetectie uitvoeren terwijl hij effectief trillingsenergie verzamelde.
Een experiment naar de efficiëntie van LV‑TENG was meer dan positief. Het kon structuurtrillingen correct detecteren met een frequentie van 0,1 Hz tot 5,0 Hz en een amplitude van 2,0 mm tot 10,0 mm. Zelfs de uitgangsspanning volgde een positieve lineaire relatie met frequentie, met een correlatiecoëfficiënt tot 0,994. De onderzoekers waren van mening dat LV‑TENG een nieuw pad kan bieden voor laagfrequente trillingsmonitoring en kan worden gebruikt voor structurele gezondheidsmonitoring in de maritieme techniek.
De indirecte en directe monitoring van de gezondheid van infrastructuur, menselijke gezondheidscondities en gedragspatronen kan het menselijk leven enorm ten goede komen. Het kan schade verminderen en het leven van zowel mens als machine verbeteren. Vibratiegebaseerde detectie is een effectieve manier om dergelijke monitoringsoefeningen uit te voeren. Het incorporeren van nanotechnologie in deze detectietools of sensoren maakt de oplossingen alleen maar gemakkelijker in gebruik, omdat ze zeer draagbaar zijn en kunnen worden geïntegreerd als onderdelen van draagbare of niet‑draagbare apparaten.
Technologie heeft ook veel tractie gekregen omdat het goedkoop is en minder energie verbruikt. Daardoor is het een oplossing die past bij zowel binnen‑ als buitentoepassingen. De toekomst, volgens onderzoekers, zal meer intensief onderzoek zien naar niet‑invasieve oplossingen.
Wat de toepassingen betreft, heeft het potentieel om een breed scala aan slimme thuis‑ en milieu‑toepassingen te bedienen. Echter, er moet nog meer werk worden gedaan aan de signaalverwerkingsmogelijkheden en het gebruik van machine‑learningtechnieken om deze sensoren te laten fungeren als vervanging voor conventionele detectiemechanismen.
