I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato un sensore che utilizza l’energia proveniente da onde sonore per controllare i dispositivi elettronici. Ciò potrebbe un giorno far risparmiare milioni di batterie.
Il prototipo del sensore sonoro è relativamente grande. Credito fotografico: Astrid Robertsson / ETH Zurigo
I sensori che monitorano infrastrutture, come ponti o edifici, o che vengono utilizzati in dispositivi medici, come le protesi per non udenti, richiedono una fornitura di energia costante. L’energia proviene solitamente dalle batterie, che vengono sostituite non appena sono scariche. Ciò crea un enorme problema di rifiuti. Uno studio dell’UE prevede che nel 2025, 78 milioni di batterie finiranno nella spazzatura ogni giorno.
Un nuovo tipo di sensore meccanico, sviluppato dai ricercatori guidati da Marc Serra-Garcia e dal professore di geofisica dell’ETH Johan Robertsson, potrebbe ora fornire una soluzione. I suoi creatori hanno già richiesto un brevetto per la loro invenzione e ora hanno presentato il principio sulla rivista Materiali funzionali avanzati.
Alcune onde sonore fanno vibrare il sensore
“Il sensore funziona in modo puramente meccanico e non richiede una fonte di energia esterna. Utilizza semplicemente l’energia vibrazionale contenuta nelle onde sonore”, afferma Robertsson.
Ogni volta che viene pronunciata una determinata parola o viene generato un tono o un rumore particolare, le onde sonore emesse – e solo queste – fanno vibrare il sensore. Questa energia è quindi sufficiente per generare un minuscolo impulso elettrico che accende un dispositivo elettronico spento.
Il prototipo che i ricercatori hanno sviluppato nel laboratorio di Robertsson presso lo Switzerland Innovation Park di Zurigo a Dübendorf è già stato brevettato. Può distinguere tra le parole pronunciate “tre” e “quattro”. Poiché la parola “quattro” ha più energia sonora che risuona con il sensore rispetto alla parola “tre”, fa vibrare il sensore, mentre “tre” no. Ciò significa che la parola “quattro” potrebbe accendere un dispositivo o innescare ulteriori processi. Con “tre” non succederebbe nulla.
Le varianti più recenti del sensore dovrebbero essere in grado di distinguere fino a dodici parole diverse, come i comandi standard della macchina come “on”, “off”, “su” e “giù”. Rispetto al prototipo grande quanto un palmo, le nuove versioni sono anche molto più piccole – circa le dimensioni di una miniatura – e i ricercatori mirano a miniaturizzarle ulteriormente.
Metamateriale senza sostanze problematiche
Il sensore è il cosiddetto metamateriale: non è il materiale utilizzato a conferire al sensore le sue proprietà speciali, ma piuttosto la struttura. “Il nostro sensore è costituito esclusivamente da silicone e non contiene né metalli pesanti tossici né terre rare, come fanno i sensori elettronici convenzionali”, afferma Serra-Garcia.
Il sensore è composto da decine di piastre identiche o strutturate in modo simile, collegate tra loro tramite minuscole barre. Queste barre di collegamento agiscono come molle. I ricercatori hanno utilizzato modelli computerizzati e algoritmi per sviluppare il design speciale di queste piastre microstrutturate e capire come collegarle tra loro. Sono le molle che determinano se una particolare sorgente sonora mette in movimento o meno il sensore.
Monitoraggio delle infrastrutture
I potenziali casi d’uso per questi sensori senza batteria includono il monitoraggio dei terremoti o degli edifici. Potrebbero, ad esempio, registrare quando in un edificio si sviluppa una crepa che ha il giusto suono o l’energia delle onde.
C’è interesse anche per i sensori senza batteria per il monitoraggio dei pozzi petroliferi dismessi. Il gas può fuoriuscire dalle perdite nei pozzi producendo un caratteristico sibilo. Un sensore meccanico di questo tipo potrebbe rilevare questo sibilo e attivare un allarme senza consumare costantemente elettricità, rendendolo molto più economico e richiedendo molta meno manutenzione.
Sensore per impianti medici
Serra-Garcia vede anche applicazioni nei dispositivi medici, come gli impianti cocleari. Queste protesi per non udenti richiedono un’alimentazione permanente per l’elaborazione del segnale tramite batterie. L’alimentazione si trova dietro l’orecchio, dove non c’è spazio per batterie di grandi dimensioni. Ciò significa che chi indossa tali dispositivi deve sostituire le batterie ogni dodici ore. I nuovi sensori potrebbero essere utilizzati anche per la misurazione continua della pressione oculare. “Non c’è abbastanza spazio nell’occhio per un sensore con batteria”, dice.
I modelli più recenti del sensore sono altamente miniaturizzati e si adattano alla punta di un dito. Credito immagine: Marc Serra-Garcia / Amolf
“C’è un grande interesse per i sensori a energia zero anche nell’industria”, aggiunge Serra-Garcia. Non lavora più all’ETH ma all’AMOLF, un istituto di ricerca pubblico nei Paesi Bassi, dove lui e il suo team stanno perfezionando i sensori meccanici. Il loro obiettivo è lanciare un prototipo solido entro il 2027. “Se entro allora non saremo riusciti ad attirare l’interesse di nessuno, potremmo fondare la nostra start-up.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
