Batterijloze sensor ‘op geluidsgolven’

Aan de ETH Zürich is een sensor ontwikkeld die energie uit geluidsgolven gebruikt om elektronische apparaten te besturen.

Het principe is gepresenteerd in Advanced Functional Materials. De onderzoekers onder leiding van Marc Serra-Garcia en ETH-geofysicaprofessor Johan Robertsson hebben ook patent aangevraagd.

“De sensor werkt puur mechanisch en heeft geen externe energiebron nodig. Hij maakt gewoon gebruik van de trillingsenergie in geluidsgolven”, zegt Robertsson. “Wanneer een bepaald woord wordt uitgesproken of een toon of geluid wordt uitgezonden, zorgen de resulterende geluidsgolven – en alleen die – ervoor dat de sensor gaat trillen. De energie is dan voldoende om een kleine elektrische puls te genereren die een elektronisch apparaat inschakelt als het is uitgeschakeld.”

Gesproken woord

Het prototype, dat is ontwikkeld in Innovation Park Dübendorf, is gepatenteerd. Het kan onderscheid maken tussen de gesproken woorden ‘drie’ en ‘vier’. Het woord ‘vier’ heeft meer geluidsenergie dan het woord ‘drie’, waardoor de sensor gaat resoneren. Het woord drie daarentegen genereert geen resonantie in de sensor. Het woord ‘vier’ zou dus een apparaat kunnen inschakelen of verdere processen in gang kunnen zetten. Met ‘drie’ gebeurt er niets.

Nieuwere versies van de sensor zouden tot twaalf verschillende woorden moeten kunnen onderscheiden, zoals standaard machinecommando’s zoals ‘aan’, ‘uit’, ‘omhoog’ of ‘omlaag’. Ze zijn ook veel kleiner dan het prototype: terwijl dit nog de grootte van een handpalm had, zijn de nieuwe ongeveer net zo groot als een duimnagel, en de onderzoekers streven naar verdere miniaturisatie.

Metamateriaal

De sensor is gemaakt van een metamateriaal. “De sensor bestaat alleen uit siliconen en bevat geen giftige zware metalen of zeldzame aardmetalen zoals conventionele elektronische sensoren”, benadrukt Serra-Garcia.

De sensor bestaat uit tientallen schijven met dezelfde of een vergelijkbare structuur, die met elkaar verbonden zijn via kleine staafjes. De verbindingsweefsels werken als veren. De onderzoekers gebruikten computermodellen en algoritmes om het ontwerp en de connecties van deze microstructuurplaatjes te ontwikkelen. De veren bepalen ook of een bepaalde geluidsbron de sensor in beweging zet of niet.

Infrastructuur-monitoring

De batterijloze sensoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor het monitoren van aardbevingen of gebouwen. De sensor zou onder andere kunnen registreren wanneer een gebouw een scheur ontwikkelt met de juiste geluids- of golfenergie. Ook voor het monitoren van niet meer gebruikte oliebronnen kunnen batterijloze sensoren van pas komen. Gas kan ontsnappen uit lekken in boorgaten en daarbij een karakteristiek sissend geluid produceren. Een mechanische sensor van dit type zou dit sissen kunnen detecteren en een alarm kunnen activeren.

Medische apparaten

Serra-Garcia ziet ook toepassingen in medische apparaten, zoals cochleaire implantaten. Deze prothesen voor doven vereisen een permanente stroomvoorziening voor signaalverwerking van batterijen die zich achter het oor bevinden, waar geen ruimte is voor grote batterijpakketten. De dragers van dergelijke apparaten moeten de batterijen daarom elke 12 uur vervangen. Zulke sensoren zouden ook gebruikt kunnen worden om continu de oogdruk te meten. “Er is niet genoeg ruimte in het oog voor een sensor met een batterij,” zegt de onderzoeker.

Industrie

“De industrie is ook erg geïnteresseerd in energieneutrale sensoren,” zegt Serra-Garcia, die niet meer bij ETH werkt, maar bij Amolf. Het doel is om in 2027 een solide prototype te lanceren. “Als we tegen die tijd niemand hebben gevonden die geïnteresseerd is, richten we misschien onze eigen startup op.”