Computação
Nanofios Abrem Novas Fronteiras para Sensores Baseados em Vibração a Serem Adotados para Uso Mais Amplo
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Microchips de última geração e sensores sofisticados são ferramentas que nos ajudam a dar saltos exponenciais nesta era de comunicação ultrarrápida e mais. Novas pesquisas que abrem caminho para a criação de um novo tipo de nanofio que vibra por mais tempo do que qualquer objeto de estado sólido conhecido até agora podem representar um avanço. Isso pode ajudar a integrar sensores ultrassensíveis com a tecnologia padrão de microchips, resultando em um novo paradigma em detecção baseada em vibração.
World’s Most Sensitive Sensors: Pushing the Envelope for Nanotechnology and ML
Uma equipe de pesquisadores da TU Delft e da Brown University desenvolveu resonadores que se assemelham a fios e podem vibrar por mais tempo em temperatura ambiente do que qualquer outro objeto de estado sólido que conhecemos até agora. Os resultados que produziu em temperatura ambiente só poderiam ser alcançados em temperaturas próximas ao zero absoluto anteriormente.
Do ponto de vista científico, os pesquisadores apresentaram resonadores nanomecânicos que se estendem por centímetros de comprimento enquanto mantêm uma espessura de nanômetros. Essa propriedade resulta em nanofios que possuem a mais alta qualidade mecânica entre quaisquer objetos de fixação em ambientes de temperatura ambiente. Nesse caso, o objeto de fixação é um microchip.
Os pesquisadores empregaram técnicas delicadas de nanofabricação que ajudaram a alcançar altos rendimentos.
Para explicar de uma perspectiva funcional, ao considerar quão bem a energia era emitida por um objeto vibratório, esses fios podiam especificamente aprisionar as vibrações e impedir que sua energia escapasse.
O aprendizado de máquina guiou a sinergia entre nanofabricação e otimização de design. A qualidade mecânica foi tão aprimorada que as frequências se aproximaram de 10 bilhões de quilohertz. Essas frequências mecânicas são comparáveis ao desempenho de resonadores criogênicos de ponta e nanoesferas levitadas.
Associate Professor Richard Norte, while explaining the significance of the research, had the following to say:
“Imagine um balanço que, uma vez empurrado, continua balançando por quase 100 anos porque perde quase nenhuma energia através das cordas. Nossos nanofios fazem algo semelhante, mas ao invés de vibrar uma vez por segundo como um balanço, nossos fios vibram 100.000 vezes por segundo. Como é difícil a energia vazar, isso também significa que o ruído ambiental tem dificuldade de entrar, tornando-os alguns dos melhores sensores para ambientes de temperatura ambiente.”
O desenvolvimento do processo de fabricação da solução também indica uma mudança radical no campo da nanotecnologia. Explicando o motivo, a líder dos esforços de pesquisa, Dra. Andrea Cupertino, afirmou que embora os fios tenham 3 centímetros de comprimento e 70 nanômetros de espessura quando ampliados, eles são equivalentes a ‘fabricar cordas de guitarra de vidro que ficam suspensas a meio quilômetro com quase nenhum côncavo.’
Essas propriedades tornam a solução adequada para aplicações cotidianas extremas, algo que poderia ter sido muito difícil de alcançar na forma como percebemos a nanotecnologia até agora.
The Application Potential of the Solution
A inovação abre novas fronteiras no campo de estudo dos fenômenos quânticos macroscópicos em temperatura ambiente. Até agora, o estudo tem sido mascarado pelo ruído. No entanto, os nanofios podem isolar esses ruídos, tornando as leis da mecânica quântica reconhecíveis em fios compostos por bilhões de átomos. Esse fenômeno antes era limitado a átomos individuais. Essa transição de um átomo único para um fio de átomos tem grande potencial para sensores baseados em quantum em ambientes cotidianos.
Os nanofios também permitem a construção de estruturas que seriam particularmente úteis em dispositivos miniaturizados que medem grandezas físicas como pressão, temperatura, aceleração e campos magnéticos, também conhecidos como sensores MEMS.
Os cientistas esperam que a pesquisa vá além dos limites da ciência aplicada como a conhecemos até agora e nos mostre como sensores altamente sensíveis podem ser integrados à tecnologia padrão de microchips, desencadeando novo potencial em detecção baseada em vibração para os pesquisadores explorarem.
Se ampliado em escopo, o estudo pode levar ao desenvolvimento de designs mais complexos capazes de medir diversos parâmetros críticos, como aceleração para navegação inercial ou uma membrana vibratória para microfones de próxima geração.
Há bastante tempo, os pesquisadores têm se interessado em avaliar o potencial dos sensores de vibração como uma tecnologia de monitoramento não intrusiva. Uma revisão das pesquisas disponíveis mostrou que as tecnologias de detecção baseadas em vibração podem ser úteis em diversas áreas, incluindo monitoramento humano, de infraestrutura, de segurança e de saúde.
Nos segmentos a seguir, examinaremos essas áreas de aplicação que podem se beneficiar da pesquisa envolvendo vibrações de nanofios.
How Vibration-Based Sensing Technologies Help Us Develop Solutions
As tecnologias de envio baseadas em vibração são imensamente úteis em diagnóstico e saúde. A razão é simples. As ondas mecânicas que se propagam pelo nosso corpo devido às atividades fisiológicas naturais são sinais reveladores que contêm informações sobre uma série de eventos corporais, incluindo orientação corporal, respiração, pulso, marcha, locomoção e mais. Capturar esses sinais mecânico-vibratórios requer tecnologias sofisticadas de detecção baseada em vibração.
Essas tecnologias de detecção também monitoram uma variedade de comportamentos humanos, como Atividades da Vida Diária (AVD) e mais. Existem sensores inerciais como acelerômetros, giroscópios e magnetômetros, sensores de saúde física como dispositivos de eletrocardiograma, sensores de temperatura da pele e sensores de força/pressão.
A detecção baseada em vibração tem um papel crucial em garantir deduções bem-sucedidas em todos esses sensores. Elas também oferecem soluções valiosas no que chamamos de serviços de inferência de informações de ocupação. Esses serviços incluem cenários como rastreamento de ativos, estimativa do número de pessoas em um local, logística, segurança, etc.
Essas soluções ajudam a descrever a posição dos sujeitos em relação ao espaço confinado em que se encontram. Também auxiliam na identificação humana. Ajudam a identificar usuários autorizados e intrusos ou a detectar uma queda.
Outra área da detecção baseada em vibração é o monitoramento da saúde da infraestrutura, especialmente a detecção de danos sísmicos a edifícios causados por tremores e danos de terremotos. Hoje em dia, essas soluções também ajudam em casos de tempestades, furacões e explosões, oferecendo uma forma cientificamente comprovada de avaliar a saúde da infraestrutura.
Várias empresas de tecnologia já desenvolveram soluções populares que aproveitam os méritos da detecção baseada em vibração. A pesquisa que discutimos aqui ajudaria a avançar ainda mais. Um desses provedores de solução reconhecidos globalmente é a Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Os sensores de monitoramento de condição da Rockwell Automation ajudam a realizar medições de vibração e posição para a maioria das aplicações em ambientes de temperatura extrema e locais perigosos.
Os Sistemas de Sonda de Corrente de Eddy Bulletin 1442 da Rockwell, por exemplo, ajudam a medir vibração do eixo, referência de fase/velocidade e posição do rotor/empuxo em máquinas industriais. O próximo produto da série, os sensores de acelerômetro da Série Bulletin 1443, também podem medir vibração em máquinas industriais. É um acelerômetro sofisticado com ampla faixa de frequência, começando de 0,2 Hz (12 CPM) até uma frequência muito alta de até 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation também possui uma solução que suporta esforços de manutenção preditiva e fornece diagnósticos chave de vibração de máquinas com coletores de dados portáteis que podem medir, processar, exibir e armazenar uma variedade de funções de análise. Quando se trata de trabalhar em baixas frequências, a solução pode chegar a 0,2 Hz ou 12 kpm. No lado mais alto, pode chegar a 30 kHz ou 1800 kpm. Também pode operar em temperaturas muito altas, até 260 graus centígrados ou 500 graus Fahrenheit.
Os sensores de vibração alimentados por loop da Rockwell, com saída 4-20 mA, medem sinais representativos dos níveis gerais de vibração gerados por diversos tipos de máquinas rotativas. Seus acelerômetros intrinsecamente seguros têm capacidades especiais para atender às exigências de ambientes perigosos.
No ano fiscal de 2023, a Rockwell Automation registrou uma receita de mais de US$9,058 bilhões, um aumento considerável em relação à sua receita de 2022 de US$7,76 bilhões.
#2. Omron
Outra empresa global que tem realizado um trabalho excepcional com tecnologias de detecção baseadas em vibração é a Omron. Ela desenvolveu o sensor sísmico de alta precisão e menor tamanho de classe mundial. O sensor de vibração compatível com IoT tem o nome de marca D7S.
O D7S é um sensor sísmico que ajuda a reduzir desastres secundários de terremotos. O sensor pode ser integrado a qualquer dispositivo devido ao seu tamanho ultra‑pequeno. Ser um indicador sísmico de alta precisão de intensidade espectral ajuda a rejeitar ruídos de vibração impulsiva e correlacionar fortemente com danos que ocorreram em estruturas. O fato de ser compatível com IoT ajuda a criar mapas de terremotos e mapas de resgate.
Em termos de aplicação, ele ajuda a prevenir danos secundários em semicondutores, plantas químicas e painéis de distribuição. Usuários podem implantar esses sensores em suas casas, em painéis de distribuição, sistemas de prevenção de incêndios e eletrodomésticos. A sociedade, por sua vez, pode se beneficiar desses sensores ao instalá-los em medidores de eletricidade, rodovias, pontes, ferrovias e mais.
Vários outros recursos ajudam o D7S a se destacar entre seus pares. Por exemplo, seu sensor de aceleração de 3 eixos e algoritmo único de cálculo de valor SI resultam em módulos compactos montáveis em superfície e baixo consumo de energia. Seu grau de liberdade relativamente maior o torna adequado para incorporação em dispositivos e operação prolongada com energia de bateria. Acima de tudo, seu terminal de saída de desligamento (INT1) opera equivalente a um sensor mecânico de vibração convencional, garantindo compatibilidade com sensores mecânicos de vibração.
No Ano Fiscal de 2023, a Omron obteve uma receita anual de 890 bilhões de ienes, um aumento de menos de 2 % em relação à receita do ano anterior de 876,1 bilhões de ienes.
The Future of Vibration-Based Sensing
Pesquisadores ao redor do mundo estão conduzindo muitos projetos de pesquisa interessantes na área de tecnologias e sensores de detecção baseadas em vibração. Em 2021, uma equipe de pesquisadores propôs uma solução chamada VibroTag que poderia funcionar com smartphones com diferentes hardwares como um esquema robusto e prático de detecção baseada em vibração.
Ele poderia extrair assinaturas de vibração de alta granularidade de diferentes superfícies, contornando os impactos do ruído ambiental e das irregularidades de hardware. Os pesquisadores implementaram o VibroTag em dois smartphones Android diferentes e os avaliaram em múltiplos ambientes, coletando dados de quatro indivíduos por um número sustentado de dias. O VibroTag alcançou uma precisão média de 86,55 por cento e pôde reconhecer 24 locais/superfícies diferentes, mesmo quando algumas dessas superfícies eram feitas de material semelhante.
Outro grupo de pesquisadores da ala Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) da Universidade de Bolonha propôs um Nó Sensor (SN) inovador, de baixo custo e baixo peso, que poderia gerar redes de sensores de implantação rápida para monitoramento acústico (AE) e de vibração (ACC) de longo prazo e em tempo real. A configuração foi construída de forma que a solução pudesse minimizar significativamente a sensibilidade ao ruído externo. A abordagem de monitoramento próximo ao sensor reduziu drasticamente o volume dos dados brutos a serem processados e armazenados para fins de ensaio não destrutivo (NDT) e monitoramento de saúde estrutural (SHM).
Outra pesquisa que combinou nanotecnologia com detecção baseada em vibração foi um sensor de vibração de baixa frequência (LV‑TENG) baseado em um nanogerador triboelétrico de estrutura de viga em cantilever. Esse sensor poderia realizar detecção de vibração de alta precisão enquanto coletava efetivamente energia de vibração.
Um experimento realizado sobre a eficiência do LV‑TENG foi mais que positivo. Ele conseguiu detectar corretamente a vibração da estrutura com frequência de 0,1 Hz a 5,0 Hz e amplitude de 2,0 mm a 10,0 mm. Até a tensão de saída seguiu uma relação linear positiva com a frequência, com o coeficiente de correlação ajustado atingindo até 0,994. Os pesquisadores afirmaram que o LV‑TENG poderia abrir uma nova via para monitoramento de vibrações de baixa frequência e ser usado para análise de monitoramento de saúde estrutural em engenharia marítima.
O monitoramento indireto e direto da saúde da infraestrutura, das condições de saúde humana e dos padrões comportamentais pode beneficiar enormemente a vida humana. Pode reduzir danos e melhorar a vida tanto de pessoas quanto de máquinas. A detecção baseada em vibração é uma forma eficaz de realizar esses exercícios de monitoramento. A incorporação da nanotecnologia nesses instrumentos ou sensores apenas torna as soluções mais fáceis de usar, pois são altamente portáteis e podem ser integradas como partes de dispositivos vestíveis ou não vestíveis.
A tecnologia também ganhou muita tração porque é de baixo custo e consome menos energia. Como resultado, é uma solução que atende às necessidades de monitoramento tanto interno quanto externo. O futuro, segundo os pesquisadores, verá pesquisas mais intensas em soluções não intrusivas.
Em termos de aplicação, tem potencial para atender a um amplo espectro de aplicações domésticas inteligentes e ambientais. No entanto, mais trabalho precisa ser feito nas capacidades de processamento de sinal e na utilização de técnicas de aprendizado de máquina para tornar esses sensores um substituto dos mecanismos de detecção convencionais.
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