Computing
Binubuksan ng Nanostrings ang mga Bagong Hangganan para sa mga Vibration-Based Sensors na Maaaring Gamitin sa Mas Malawak na Saklaw
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Ang mga napapanahong microchip at sopistikadong sensor ay mga kasangkapan upang matulungan tayong gumawa ng mga eksponensyal na pag-unlad sa panahon ng napakabilis na komunikasyon at iba pa. Ang bagong pananaliksik na nagbubukas ng daan para sa paggawa ng bagong uri ng nanostring na mas matagal mag-vibrate kaysa sa anumang dati nang kilalang solid-state na bagay ay maaaring maging isang malaking tagumpay. Maaaring makatulong ito sa pagsasama ng napaka-sensitibong mga sensor sa karaniwang teknolohiyang microchip, na nagreresulta sa isang bagong paradigma sa vibration-based sensing.
Pinakamahihusay na Sensor sa Mundo: Pagtulak sa Hangganan ng Nanoteknolohiya at ML
Isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa TU Delft at Brown University ang nakabuo ng mga resonator na kahawig ng mga string at maaaring mag-vibrate nang mas matagal sa ambient na temperatura kaysa sa anumang ibang solid-state na bagay na kilala natin hanggang ngayon. Ang mga resulta na nakuha nito sa ambient na temperatura ay dati lamang makakamit sa halos absolute zero na temperatura.
Sa agham, ipinakita ng mga mananaliksik ang mga nanomechanical resonator na umaabot ng ilang sentimetro ang haba habang nananatiling may kapal na ilang nanometro. Ang katangiang ito ay nagreresulta sa mga nano string na may pinakamataas na mekanikal na kalidad sa anumang clamping object sa mga kapaligirang may temperatura ng silid. Sa kasong ito, ang clamping object ay isang microchip.
Upang ipaliwanag mula sa perspektibong pang-funksyon, pagdating sa kung gaano kahusay ang enerhiya na lumalabas mula sa isang vibrating na bagay, ang mga string na ito ay partikular na nakakakulong ng mga pagyanig at hindi hinahayaan na tumagas ang kanilang enerhiya.
Ang machine learning ang nag-gabay sa sinerhiya sa pagitan ng nanofabrication at pag-optimize ng disenyo. Ang mekanikal na kalidad ay napahusay na ang mga frequency ay umabot sa halos 10 bilyong kilohertz. Ang ganitong mga mekanikal na frequency ay katulad ng pagganap ng mga nangungunang cryogenic resonator at levitated nanosphere.
Associate Professor Richard Norte, habang ipinaliwanag ang kahalagahan ng pananaliksik, ay nagsabi ng sumusunod:
“Isipin mo ang isang duyan na, kapag itinulak, ay patuloy na umuugong nang halos 100 taon dahil halos walang enerhiya na nawawala sa mga lubid. Ang aming mga nanostring ay gumagawa ng katulad na bagay, ngunit sa halip na mag-vibrate isang beses kada segundo tulad ng duyan, ang aming mga string ay nag-vibrate ng 100,000 beses kada segundo. Dahil mahirap para sa enerhiya na tumagas palabas, nangangahulugan din ito na mahirap makapasok ang ingay mula sa kapaligiran, kaya’t ito ay isa sa mga pinakamahusay na sensor para sa mga kapaligirang may temperatura ng silid.”
Ang pag-unlad ng proseso ng paggawa ng solusyon ay nagpapahiwatig din ng radikal na pagbabago sa larangan ng nanoteknolohiya. Ipinaliwanag ni Dr. Andrea Cupertino, ang pinuno ng mga pagsisikap sa pananaliksik, na bagaman ang mga string ay 3 sentimetro ang haba at 70 nanometro ang kapal kapag pinalaki, ito ay katumbas ng ‘paggawa ng mga guitar string na gawa sa salamin na nakasabit ng kalahating kilometro na halos walang pag-urong.’
Ang mga katangiang ito ay ginagawang angkop ang solusyon para sa mga matinding pang-araw-araw na aplikasyon, na maaaring napakahirap makamit batay sa dating pag-unawa natin sa nanoteknolohiya.
Ang Potensyal ng Pag-aaplay ng Solusyon
Ang inobasyon ay nagbubukas ng mga bagong hangganan sa larangan ng pag-aaral ng macroscopic quantum phenomena sa temperatura ng silid. Sa ngayon, ang pag-aaral ay natatakpan ng ingay. Gayunpaman, ang mga nano string ay maaaring ihiwalay ang mga ingay na iyon, na ginagawang kilala ang mga batas ng quantum mechanics sa mga string na binubuo ng bilyong mga atom. Ang penomenong ito ay dati ay limitado lamang sa iisang atom. Ang paglipat mula sa isang atom patungo sa isang string ng mga atom ay may malaking potensyal para sa quantum-based sensing sa pang-araw-araw na kapaligiran.
Ang mga nanostring ay nagbibigay-daan din sa pagbuo ng mga estruktura na magiging kapaki-pakinabang sa mga miniatureng aparato na sumusukat ng mga pisikal na halaga tulad ng presyon, temperatura, pagbilis, at magnetic field, na kilala rin bilang MEMS sensing.
Umaasa ang mga siyentipiko na ang pananaliksik ay lalampas sa mga hangganan ng applied science na kilala natin hanggang ngayon at ipapakita kung paano maaaring isama ang napaka-sensitibong mga sensor sa karaniwang teknolohiyang microchip, na magbubukas ng bagong potensyal sa vibration-based sensing para sa mga mananaliksik na tuklasin.
Kung palalawakin ang saklaw, maaaring magdulot ang pag-aaral ng pagbuo ng mas kumplikadong disenyo na kayang sukatin ang maraming mahahalagang parameter, tulad ng pagbilis para sa inertial navigation o isang vibrating drumhead para sa susunod na henerasyon ng mga mikropono.
Sa ilang panahon na ngayon, interesado ang mga mananaliksik sa pagsusuri ng potensyal ng vibration sensors bilang isang non-intrusive monitoring technology. Ipinakita ng pagsusuri ng mga magagamit na pananaliksik na ang vibration-based sensing technologies ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa iba’t ibang larangan, kabilang ang pagmo-monitor ng tao, imprastruktura, kaligtasan, at kalusugan.
Sa mga susunod na bahagi, titingnan natin ang mga aplikasyon na maaaring makinabang mula sa pananaliksik na may kinalaman sa pag-vibrate ng nanostring.
Paano Nakakatulong ang Vibration-Based Sensing Technologies sa Pagbuo ng mga Solusyon
Ang vibration-based sensing technologies ay lubos na kapaki-pakinabang sa diagnostics at pangangalagang pangkalusugan. Simple lang ang dahilan. Ang mga mekanikal na alon na naglalakbay sa ating katawan dahil sa natural na pisyolohikal na aktibidad ay mga signal na naglalaman ng impormasyon tungkol sa maraming pangyayari sa katawan, kabilang ang oryentasyon ng katawan, paghinga, pulso, paglakad, paggalaw, at iba pa. Ang pagkuha ng mga mekanikal-vibratory na signal na ito ay nangangailangan ng sopistikadong vibration-based sensing technologies.
Ang mga sensing technology na ito ay nagmo-monitor din ng iba’t ibang pag-uugali ng tao, tulad ng Activity of Daily Living (ADL) at iba pa. May mga inertial sensor tulad ng accelerometer, gyroscope, at magnetometer, mga pisikal na health sensor tulad ng electrocardiogram device, skin temperature sensor, at force/pressure sensor.
Ang vibration-based sensing ay may mahalagang papel sa pagtiyak ng matagumpay na deduksyon sa lahat ng mga sensor na ito. Nag-aalok din ito ng kapaki-pakinabang na solusyon sa tinatawag naming occupancy information inference services. Kabilang sa mga serbisyong ito ang mga senaryo tulad ng asset tracking, pagtatantiya ng bilang ng tao sa isang lugar, logistics, seguridad, atbp.
Ang mga solusyong ito ay tumutulong ilarawan ang posisyon ng mga paksa kaugnay ng nakapaloob na espasyo na kanilang kinaroroonan. Nakakatulong din ito sa pagkakakilanlan ng tao. Nakakatukoy ito ng mga awtorisadong gumagamit at mga intruder o nakaka-detect ng pagbagsak.
Isa pang larangan ng vibration-based sensing ay ang pagmo-monitor ng kalusugan ng imprastruktura, lalo na ang pagtuklas ng seismic damage sa mga gusali na dulot ng pagyanig at pinsala mula sa lindol. Sa kasalukuyan, tumutulong din ang mga solusyong ito sa mga kaso ng bagyo, hurikane, at pagsabog sa pamamagitan ng pag-aalok ng siyentipikong napatunayang paraan ng pagsusuri ng kalusugan ng imprastruktura.
Maraming kumpanya ng teknolohiya ang nakabuo na ng mga kilalang solusyon na ginagamit ang mga benepisyo ng vibration-based sensing. Ang pananaliksik na tinalakay natin dito ay makakatulong sa kanila na magpatuloy sa pag-unlad. Isa sa mga kilalang global na provider ng solusyon ay ang Rockwell Automation (ROK ).
#1. Rockwell Automation
Ang mga condition monitoring sensor ng Rockwell Automation ay tumutulong sa pagsasagawa ng vibration at position measurements para sa karamihan ng mga aplikasyon sa napaka-eksentrikong temperatura at mapanganib na lokasyon.
Halimbawa, ang Rockwell’s Bulletin 1442 Eddy Current Probe Systems ay tumutulong sukatin ang vibration ng shaft, phase/speed reference, at posisyon ng rotor/thrust sa industriyal na makinarya. Ang susunod na produkto sa serye, ang Bulletin 1443 Series Accelerometer sensors, ay maaari ring sukatin ang vibration sa industriyal na makinarya. Ito ay isang sopistikadong accelerometer na may malawak na frequency range mula 0.2 Hz (12 CPM) hanggang sa napakataas na frequency na hanggang 26 kHz (1560 kpm).
Rockwell Automation ay mayroon ding solusyon na sumusuporta sa predictive maintenance efforts at nagbibigay ng mahahalagang diagnostics ng vibration ng makinarya gamit ang portable data collectors na maaaring sukatin, iproseso, ipakita, at iimbak ang iba’t ibang analysis functions. Pagdating sa mababang frequency, ang solusyon ay maaaring bumaba hanggang 0.2 Hz o 12 kpm. Sa mas mataas na bahagi, maaari itong umabot hanggang 30 kHz o 1800 kpm. Maaari rin itong gumana sa napakataas na temperatura, hanggang 260 degrees centigrades o 500 degrees Fahrenheit.
Ang loop-powered na vibration sensor ng Rockwell na may 4-20 mA output ay sumusukat ng mga signal na kumakatawan sa kabuuang antas ng vibration na nililikha ng maraming uri ng umiikot na makinarya. Ang intrinsically safe na accelerometer nito ay may mga espesyal na kakayahan upang matugunan ang pangangailangan ng mapanganib na kapaligiran.
Sa fiscal year 2023, Rockwell Automation ay nagrehistro ng kita na higit sa US$9.058 bilyon, isang malaking pagtaas mula sa kita nitong 2022 na US$7.76 bilyon.
#2. Omron
Isa pang pandaigdigang kumpanya na gumagawa ng kahanga-hangang trabaho sa vibration-based sensing technologies ay ang Omron. Nilikha nila ang pinakamaliit na klase sa mundo, high-precision seismic sensor. Ang IoT-friendly na vibration sensor ay nasa ilalim ng brand name na D7S.
Ang D7S ay isang seismic sensor na tumutulong bawasan ang pangalawang kalamidad mula sa mga lindol. Ang sensor ay maaaring magkasya sa anumang device dahil sa napakaliit nitong sukat. Bilang isang spectral intensity high-precision earthquake indicator, nakakatulong ito na tanggihan ang impulse vibration noise at mataas ang pagkakaugnay sa pinsalang nangyari sa mga estruktura. Ang katotohanang ito ay IoT-friendly ay tumutulong sa paglikha ng mga earthquake map at rescue map.
Sa aplikasyon, tumutulong ito na maiwasan ang pangalawang pinsala sa mga semiconductor, chemical plant, at distribution panel. Maaaring ilagay ng mga gumagamit ang mga sensor na ito sa kanilang mga tahanan sa mga distribution panel, fire-prevention system, at mga kagamitang pang-bahay. Samantala, makikinabang ang lipunan sa mga sensor na ito sa pamamagitan ng paglalagay nito sa mga electricity meter, expressway, tulay, riles, at iba pa.
Maraming iba pang tampok ang tumutulong sa D7S na manguna sa mga kakumpitensya nito. Halimbawa, ang 3-axis acceleration sensor nito at natatanging SI value calculation algorithm ay nagreresulta sa surface-mountable na compact modules at mababang konsumo ng enerhiya. Ang medyo mas mataas nitong degree of freedom ay ginagawang madali itong isama sa mga device at magpatuloy ng operasyon sa baterya. Pinakamahalaga, ang shutoff output terminal (INT1) nito ay gumagana katumbas ng karaniwang mechanical vibration sensor, na tinitiyak ang compatibility sa mechanical vibration sensors.
Sa Fiscal Year 2023, kumita ang Omron ng taunang kita na 890 bilyong yen, na halos 2% na pagtaas mula sa kita nitong nakaraang taon na 876.1 bilyong yen.
Ang Hinaharap ng Vibration-Based Sensing
Ang mga mananaliksik sa buong mundo ay nagsasagawa ng maraming kawili-wiling proyekto sa larangan ng vibration-based sensing technologies at sensors. Noong 2021, isang pangkat ng mga mananaliksik ang nagmungkahi ng solusyon na tinatawag na VibroTag na maaaring gumana sa mga smartphone na may iba’t ibang hardware bilang isang matibay at praktikal na vibration-based sensing scheme.
Kaya nitong kunin ang fine-grained vibration signatures ng iba’t ibang ibabaw, na nilalampasan ang epekto ng ingay mula sa kapaligiran at mga irregularidad ng hardware. Ipinatupad ng mga mananaliksik ang VibroTag sa dalawang magkaibang Android phone at sinuri ito sa maraming kapaligiran, kumolekta ng data mula sa apat na indibidwal sa loob ng ilang araw. Nakamit ng VibroTag ang average na katumpakan na 86.55 porsyento at nakilala ang 24 na iba’t ibang lokasyon/ ibabaw, kahit na ang ilan sa mga ibabaw ay gawa sa katulad na materyal.
Isa pang pangkat ng mga mananaliksik mula sa Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) ng University of Bologna ang nagmungkahi ng isang makabago, mababang-gastos, at magaan na Sensor Node (SN) na maaaring magbigay ng mabilis na deployable sensor networks para sa pangmatagalang at real-time acoustic emission (AE) at vibration (ACC) monitoring. Ang setup ay ginawa sa paraang ang solusyon ay makabuluhang mababawasan ang sensitivity sa external noise. Ang sensor-near monitoring approach ay nagbawas nang malaki sa dami ng raw data na kailangang iproseso at iimbak para sa NDT at SHM na layunin.
Isa pang pananaliksik na pinagsama ang nanoteknolohiya sa vibration-based sensing ay isang low-frequency vibration sensor (LV-TENG) na batay sa cantilever-beam-structured triboelectric nanogenerator. Ang sensor na ito ay maaaring magsagawa ng high-precision vibration sensing habang epektibong kinokolekta ang vibration energy.
Ang eksperimento na isinagawa sa kahusayan ng LV-TENG ay higit pa sa positibo. Kaya nitong tama na sukatin ang vibration ng estruktura na may frequency mula 0.1 Hz hanggang 5.0 Hz at amplitude mula 2.0 mm hanggang 10.0 mm. Maging ang output voltage ay sumunod sa positibong linear na relasyon sa frequency, na ang fitted correlation coefficient ay umabot hanggang 0.994. Ang mga mananaliksik ay nagpatunay na ang LV-TENG ay maaaring magbigay ng bagong daan para sa low-frequency vibration monitoring at magamit para sa structural health monitoring analysis sa marine engineering.
Ang indirect at direct na pagmo-monitor ng kalusugan ng imprastruktura, kondisyon ng kalusugan ng tao, at mga pattern ng pag-uugali ay maaaring lubos na makinabang sa buhay ng tao. Maaari nitong mabawasan ang pinsala at mapabuti ang buhay ng tao at makina. Ang vibration-based sensing ay isang epektibong paraan upang isagawa ang mga ganitong monitoring exercise. Ang pagsasama ng nanoteknolohiya sa mga sensing tool o sensor na ito ay nagpapadali lamang sa paggamit ng mga solusyon, dahil sila ay napaka-portable at maaaring maging bahagi ng mga wearable o non-wearable na device.
Ang teknolohiya ay nakakuha rin ng malaking atensyon dahil ito ay mababa ang gastos at kumukonsumo ng kaunting enerhiya. Bilang resulta, ito ay solusyon na tumutugma sa pangangailangan ng indoor at outdoor monitoring. Ang hinaharap, ayon sa paniniwala ng mga mananaliksik, ay makakakita ng mas masidhing pananaliksik sa mga non-intrusive na solusyon.
Sa aplikasyon, may potensyal itong maglingkod sa malawak na spectrum ng smart home at environmental applications. Gayunpaman, kailangan pang magsagawa ng mas maraming trabaho sa kakayahan ng signal processing at paggamit ng mga teknik ng machine learning upang gawing kapalit ng mga tradisyonal na sensing mechanism ang mga sensor na ito.
