Bilişim
Nanostring’ler, Titreşim Tabanlı Sensörler İçin Yeni Ufuklar Açıyor ve Daha Geniş Kullanım İçin Benimsenebilir
Keskin mikroçipler ve gelişmiş sensörler, süper hızlı iletişimin ve daha fazlasının hâkim olduğu bu dönemde üstel sıçramalar yapmamıza yardımcı olan araçlardır. Daha önce bilinen hiçbir katı hal nesnesinden daha uzun titreşen yeni bir nanostring türünün yolunu açan yeni araştırma bir dönüm noktası olabilir. Bu, süper hassas sensörlerin standart mikroçip teknolojisiyle bütünleşmesine yardımcı olarak titreşim tabanlı algılamada yeni bir paradigma yaratabilir.
Dünyanın En Hassas Sensörleri: Nanoteknoloji ve ML’de Sınırları Zorlamak
TU Delft ve Brown Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, tel benzeri rezonatörler geliştirdi ve bu rezonatörler, şu ana kadar bildiğimiz herhangi bir katı hal nesnesinden daha uzun süre oda sıcaklığında titreşebiliyor. Oda sıcaklığında elde ettiği sonuçlar, daha önce yalnızca mutlak sıfır civarında sıcaklıklarda elde edilebiliyordu.
Bilimsel açıdan, araştırmacılar nanometre kalınlığında kalırken uzunluğu santimetrelerce uzayan nanomekanik rezonatörler sundular. Bu özellik, oda sıcaklığındaki ortamda herhangi bir tutma nesnesi arasında en yüksek mekanik kaliteye sahip nanostring’ler ortaya çıkarıyor. Bu durumda tutma nesnesi bir mikroçip.
Araştırmacılar hassas nanofabrikasyon teknikleri kullandı ve bu da yüksek verim elde edilmesini sağladı.
Fonksiyonel açıdan açıklamak gerekirse, titreşen bir nesneden enerjinin ne kadar iyi yayıldığı söz konusu olduğunda, bu string’ler titreşimleri özel olarak hapseder ve enerjinin sızmasını engeller.
Makine öğrenimi, nanofabrikasyon ile tasarım optimizasyonu arasındaki sinerjiyi yönlendirdi. Mekanik kalite o kadar artırıldı ki frekanslar 10 milyar kilohertz’e yaklaştı. Bu mekanik frekanslar, önde gelen kriyojenik rezonatörler ve levite edilen nanokürelerin performansına benzer.
Araştırmanın önemini açıklarken, Doçent Doktor Richard Norte şu sözleri söyledi:
“Bir salıncağı düşünün; bir kez itildiğinde, iplerden neredeyse hiç enerji kaybetmediği için yaklaşık 100 yıl salınmaya devam eder. Bizim nanostring’lerimiz de benzer bir şey yapar, ancak bir salıncağın saniyede bir titreşmesi yerine, string’lerimiz saniyede 100.000 kez titreşir. Enerjinin sızması zor olduğu için, çevresel gürültünün içeri girmesi de zor olur ve bu da onları oda sıcaklığı ortamları için en iyi sensörlerden biri yapar.”
Çözümün üretim sürecinin geliştirilmesi, nanoteknoloji alanında radikal bir değişimi de işaret ediyor. Araştırma ekibinin lideri Dr. Andrea Cupertino, string’lerin ölçeklendirildiğinde 3 santimetre uzunluğunda ve 70 nanometre kalınlığında olmasına rağmen, ‘yarım kilometre uzunluğunda neredeyse sarkıma uğramayan cam gitar telleri üretmek’ ile eşdeğer olduğunu söyledi.
Bu özellikler, çözümü daha önce nanoteknolojiyi algılayışımızla çok zor elde edilebilecek aşırı günlük uygulamalara uygun kılıyor.
Çözümün Uygulama Potansiyeli
Bu yenilik, oda sıcaklığında makroskobik kuantum fenomenlerini inceleme alanında yeni ufuklar açıyor. Şimdiye kadar, çalışma gürültü tarafından maskelenmişti. Ancak nanostring’ler bu gürültüyü izole edebiliyor ve milyarlarca atomdan oluşan string’lerde kuantum mekaniği yasalarını tanınabilir kılıyor. Bu fenomen daha önce tek atomlarla sınırlıydı. Tek atomdan atom dizisine geçiş, günlük ortamlarda kuantuma dayalı algılamada büyük potansiyele sahip.
Nanostring’ler ayrıca, basınç, sıcaklık, ivme ve manyetik alan gibi fiziksel nicelikleri ölçen, MEMS algılaması olarak da bilinen, miniatur cihazlarda özellikle faydalı olacak yapılar inşa etmeye olanak tanır.
Bilim insanları, araştırmanın şu ana kadar bildiğimiz uygulamalı bilimin sınırlarını aşacağını ve son derece hassas sensörlerin standart mikroçip teknolojisiyle bütünleşebileceğini, araştırmacıların keşfetmesi için titreşim tabanlı algılamada yeni potansiyeller açacağını umuyor.
Kapsamı genişletilirse, çalışma, ivme ölçümü için atalet navigasyonu ya da bir sonraki nesil mikrofonlar için titreşimli bir davul derisi gibi birçok kritik parametreyi ölçebilen daha karmaşık tasarımların geliştirilmesine yol açabilir.
Bir süredir araştırmacılar, titreşim sensörlerinin müdahalesiz izleme teknolojisi olarak potansiyelini değerlendirmeye ilgi duyuyor. Mevcut araştırmaların bir incelemesi, titreşim tabanlı algılamanın insan, altyapı, güvenlik ve sağlık izleme gibi çeşitli alanlarda faydalı olabileceğini gösterdi.
Aşağıdaki bölümlerde, nanostring titreşimleriyle ilgili araştırmadan fayda sağlayabilecek bu uygulama alanlarına bakacağız.
Titreşim Tabanlı Algılama Teknolojileri Çözümler Geliştirmemize Nasıl Yardımcı Oluyor
Titreşim tabanlı gönderim teknolojileri, tanı ve sağlık hizmetlerinde son derece faydalıdır. Bunun nedeni basittir. Vücudumuzda doğal fizyolojik aktiviteler nedeniyle yayılan mekanik dalgalar, vücut konumu, solunum, nabız, yürüyüş, hareket gibi birçok beden olayına dair bilgi içeren açıklayıcı sinyallerdir. Bu mekanik titreşim sinyallerini yakalamak, gelişmiş titreşim tabanlı algılama teknolojileri gerektirir.
Bu algılama teknolojileri ayrıca Günlük Yaşam Aktivitesi (ADL) gibi bir dizi insan davranışını izler. İvmeölçer, jiroskop ve manyetometre gibi atalet sensörleri, elektrokardiyogram cihazları, deri sıcaklık sensörleri ve basınç/kuvvet sensörleri gibi fiziksel sağlık sensörleri bulunur.
Titreşim tabanlı algılamanın bu sensörlerde başarılı çıkarımlar yapılmasında kritik bir rolü vardır. Ayrıca, varlık bilgisi çıkarım hizmetleri olarak adlandırdığımız alanlarda da değerli çözümler sunar. Bu hizmetler, varlık takibi, bir mekandaki kişi sayısının tahmini, lojistik, güvenlik gibi senaryoları içerir.
Bu çözümler, konuların kapalı bir alandaki konumunu tanımlamaya yardımcı olur. Ayrıca insan tanıma konusunda da faydalıdır. Yetkili kullanıcıları ve izinsiz girişleri tanımlamaya ya da bir düşüşü tespit etmeye yardımcı olur.
Titreşim tabanlı algılamanın bir diğer alanı, altyapının sağlığını izlemektir; özellikle binalarda sarsıntı ve deprem kaynaklı hasarı tespit etmeye yöneliktir. Günümüzde bu çözümler, fırtına, kasırga ve patlamalar gibi durumlarda da altyapı sağlığını bilimsel olarak kanıtlanmış bir yöntemle değerlendirmeye yardımcı olur.
Birçok teknoloji şirketi, titreşim tabanlı algılamanın avantajlarından yararlanan popüler çözümler geliştirdi. Burada tartıştığımız araştırma, onların daha da ilerlemesine yardımcı olacaktır. Küresel ölçekte tanınan bir çözüm sağlayıcısı Rockwell Automation’dır.
#1. Rockwell Automation
Rockwell Automation’ın durum izleme sensörleri, çoğu uygulama için titreşim ve konum ölçümleri yapmaya yardımcı olur; özellikle aşırı sıcaklık ortamları ve tehlikeli konumlarda.
Örneğin, Rockwell’ın Bulletin 1442 Eddy Current Probe Sistemleri, endüstriyel makinelerde mil titreşimini, faz/hız referansını ve rotor/itme konumunu ölçmeye yardımcı olur. Serideki bir sonraki ürün, Bulletin 1443 Serisi İvmeölçer sensörleri, endüstriyel makinelerde titreşimi ölçebilir. Bu, 0,2 Hz (12 CPM) ile 26 kHz (1560 kpm) arasında geniş bir frekans aralığına sahip sofistike bir ivmeölçerdir.
Rockwell Automation ayrıca, öngörücü bakım çabalarını destekleyen ve taşınabilir veri toplayıcılarıyla çeşitli analiz fonksiyonlarını ölçebilen, işleyebilen, görüntüleyebilen ve depolayabilen bir çözüm sunar. Düşük frekanslarda çalışırken çözüm 0,2 Hz (12 kpm) kadar düşük seviyelere inebilir. Daha yüksek tarafta ise 30 kHz (1800 kpm) kadar çıkabilir. Ayrıca 260 santigrat derece (500 Fahrenheit) kadar çok yüksek sıcaklıklarda da çalışabilir.
Rockwell’ın döngü gücüne sahip, 4-20 mA çıkışlı titreşim sensörleri, birçok dönen makine tarafından üretilen genel titreşim seviyelerini temsil eden sinyalleri ölçer. Özellikle tehlikeli ortamların gereksinimlerini karşılamak için tasarlanmış güvenli ivmeölçerleri özel yeteneklere sahiptir.
2023 mali yılında, Rockwell Automation 9,058 milyar ABD Doları’ndan fazla bir gelir kaydetti; bu, 2022’deki 7,76 milyar ABD Doları gelirine göre önemli bir artıştır.
#2. Omron
Titreşim tabanlı algılama teknolojileriyle olağanüstü çalışmalar yapan bir diğer küresel şirket Omron’dur. Şirket, dünyanın en küçük sınıf boyutunda, yüksek hassasiyetli sismik sensörü geliştirdi. IoT dostu titreşim sensörü D7S markası altında sunulmaktadır.
D7S, depremlerden kaynaklanan ikincil felaketleri azaltmaya yardımcı bir sismik sensördür. Ultra küçük boyutu sayesinde herhangi bir cihaza uyum sağlayabilir. Spektral yoğunluklu yüksek hassasiyetli deprem göstergesi olması, darbe titreşim gürültüsünü reddetmesine ve yapıların maruz kaldığı hasarla yüksek korelasyona sahip olmasına olanak tanır. IoT dostu olması, deprem haritaları ve kurtarma haritaları oluşturmasını sağlar.
Uygulama açısından, yarı iletkenler, kimyasal tesisler ve dağıtım panellerinde ikincil hasarı önlemeye yardımcı olur. Kullanıcılar bu sensörleri evlerinde dağıtım panelleri, yangın önleme sistemleri ve ev aletlerinde kullanabilir. Toplum ise bu sensörleri elektrik sayaçları, otoyollar, köprüler, demiryolları ve daha fazlasında bulundurarak fayda sağlayabilir.
D7S’i rakiplerinden ayıran birkaç özellik daha vardır. Örneğin, 3 eksenli ivme sensörü ve benzersiz SI değer hesaplama algoritması, yüzeye monte edilebilen kompakt modüller ve düşük güç tüketimi sağlar. Göreceli olarak daha yüksek serbestlik derecesi, cihazlara entegrasyonu ve pil gücüyle uzun süreli çalışmasını kolaylaştırır. En önemlisi, kapatma çıkış terminali (INT1), geleneksel mekanik titreşim sensörüne eşdeğer çalışır ve mekanik titreşim sensörleriyle uyumluluğu garanti eder.
2023 mali yılında, Omron 890 milyar yen yıllık gelir elde etti; bu, bir önceki yılki 876,1 milyar yen gelirine göre %2’den az bir artıştır.
Titreşim Tabanlı Algılamanın Geleceği
Dünya çapındaki araştırmacılar, titreşim tabanlı algılama teknolojileri ve sensörleri alanında birçok ilginç araştırma projesi yürütmektedir. 2021’de bir araştırmacı ekibi, akıllı telefonlarla farklı donanımlarda çalışabilen sağlam ve pratik bir titreşim tabanlı algılama şeması olan VibroTag adlı bir çözüm önerdi.
Bu çözüm, farklı yüzeylerin ince titreşim imzalarını çıkarabilir; çevresel gürültünün ve donanım kaynaklı düzensizliklerin etkilerini aşar. Araştırmacılar VibroTag’i iki farklı Android telefonunda uyguladı ve birden fazla ortamda, dört bireyden gelen verileri günlerce topladı. VibroTag ortalama %86,55 doğruluk elde etti ve bazı yüzeyler benzer malzemeden yapılmış olsa bile 24 farklı konum/yüzeyi tanıyabildi.
Bologna Üniversitesi’nden Smart Materials and Structure Health Monitoring (SMASH) birimi araştırmacılarının bir başka grubu, uzun vadeli ve gerçek zamanlı akustik emisyon (AE) ve titreşim (ACC) izleme için hızlı dağıtılabilir sensör ağları sağlayabilecek yenilikçi, düşük maliyetli ve hafif bir Sensör Düğümü (SN) önerdi. Çözüm, dış gürültüye duyarlılığı önemli ölçüde azaltacak şekilde tasarlandı. Yakın sensör izleme yaklaşımı, ham veri hacmini büyük ölçüde azalttı; bu da NDT ve SHM amaçları için işlenip depolanması gereken veriyi azaltıyor.
Başka bir araştırma, nanoteknolojiyi titreşim tabanlı algılamayla birleştirerek, kiriş kiriş yapısına sahip triboelektrik nanogeneratöre dayalı düşük frekanslı titreşim sensörü (LV‑TENG) geliştirdi. Bu sensör, titreşim enerjisini etkili bir şekilde toplarken yüksek hassasiyetli titreşim algılaması yapabiliyordu.
LV‑TENG’in verimliliği üzerine yapılan bir deney son derece olumlu sonuçlar verdi. 0,1 Hz ile 5,0 Hz arasındaki frekanslarda ve 2,0 mm ile 10,0 mm arasındaki genliklerde yapı titreşimini doğru bir şekilde algılayabildi. Çıkış voltajı da frekansla pozitif lineer bir ilişki gösterdi; uyum katsayısı 0,994’e kadar yükseldi. Araştırmacılar, LV‑TENG’in düşük frekanslı titreşim izleme için yeni bir yol sunacağını ve deniz mühendisliğinde yapısal sağlık izleme analizinde kullanılabileceğini belirtti.
Altyapı sağlığının, insan sağlık durumlarının ve davranış kalıplarının dolaylı ve doğrudan izlenmesi, insan yaşamını büyük ölçüde iyileştirebilir. Bu, hasarı azaltır ve hem insan hem de makine yaşamını geliştirir. Titreşim tabanlı algılama, bu tür izleme çalışmalarını yürütmenin etkili bir yoludur. Bu algılama araçlarına veya sensörlerine nanoteknolojinin entegrasyonu, çözümleri daha taşınabilir ve giyilebilir ya da giyilemeyen cihazların parçası olarak kullanılabilir hâle getirerek kullanımını kolaylaştırır.
Teknoloji, düşük maliyetli ve az enerji tüketimi nedeniyle de büyük ilgi gördü. Sonuç olarak, hem iç hem de dış mekan izlemeleri için uygun bir çözüm haline geldi. Araştırmacıların inandığı gelecekte, müdahalesiz çözümlere yönelik daha yoğun araştırmalar yapılacaktır.
Uygulama açısından, akıllı ev ve çevre uygulamaları gibi geniş bir yelpazeye hizmet verme potansiyeline sahiptir. Ancak, bu sensörlerin geleneksel algılama mekanizmalarının yerini alabilmesi için sinyal işleme yetenekleri ve makine öğrenimi tekniklerinin kullanımı konusunda daha fazla çalışılması gerekmektedir.
