Un nuevo sensor obtiene energía de las ondas sonoras
Ingenieros desarrollan un sensor que utiliza la energía de ciertas ondas sonoras para controlar dispositivos electrónicos. El sensor, un metamaterial que adquiere sus propiedades especiales a través de la estructuración del material, algún día podría ahorrar millones de baterías.
Por la ETH Zurich
El prototipo del sensor de sonido es relativamente grande. Foto: Astrid Robertsson / ETH Zurich
Los sensores que monitorizan infraestructuras, como puentes y edificios, o se utilizan en dispositivos médicos, caso de las prótesis para sordos, requieren un suministro constante de energía. Esta suele proceder de las baterías, que se reemplazan en cuanto se agotan. Esto crea un enorme problema de residuos. Un estudio de la Unión Europea prevé que en 2025, 78 millones de baterías acabarán en la basura cada día.
Un nuevo tipo de sensor mecánico, desarrollado por investigadores dirigidos por Marc Serra-García, del instituto AMOLF (Países Bajos), y el profesor de Geofísica Johan Robertsson, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suíza), podría proporcionar una solución e este problema. Sus creadores ya solicitaron una patente para su invención y ahora han presentado el principio en la revista Advanced Functional Materials.
Ciertas ondas sonoras hacen vibrar el sensor.
"El sensor funciona de forma puramente mecánica y no necesita una fuente de energía externa. Simplemente utiliza la energía vibratoria contenida en las ondas sonoras", explica Robertsson.
Cada vez que se pronuncia una palabra o se genera un tono o ruido determinado, las ondas sonoras emitidas -y solo estas- hacen vibrar el sensor. Esta energía es entonces suficiente para generar un minúsculo impulso eléctrico que enciende un dispositivo electrónico en reposo.
El prototipo que los investigadores desarrollaron en el laboratorio de Robertsson, en el Parque Suizo de la Innovación de Zúrich, en Dübendorf, ya ha sido patentado. Puede distinguir entre las palabras tres y cuatro" Como la palabra cuatro tiene más energía sonora que resuena en el sensor que la voz tres, hace que el sensor vibre, mientras que tres no. Eso significa que la palabra cuatro podría encender un dispositivo o desencadenar otros procesos. Con tres no ocurriría nada.
Los modelos más nuevos del sensor están muy miniaturizados y caben en la punta de un dedo. Foto: Marc Serra-García / Amolf
Las próximas versiones del sensor deberían poder distinguir hasta doce palabras diferentes, como comandos estándar de la máquina: encendido, apagado, arriba y abajo. En comparación con el prototipo del tamaño de la palma de la mano, las versiones en ciernes también son mucho más pequeñas (aproximadamente del tamaño de una miniatura) y los investigadores pretenden miniaturizarlas aún más.
Metamaterial sin sustancias problemáticas.
El sensor es lo que se conoce como un metamaterial: no es el material utilizado lo que confiere al sensor sus propiedades especiales, sino su estructura. "Nuestro sensor está compuesto exclusivamente de silicona, y no contiene metales pesados tóxicos ni tierras raras, como sucede con los sensores electrónicos convencionales", explica Serra-García.
El sensor está formado por decenas de placas idénticas o de estructura similar conectadas entre sí mediante pequeñas barras. Estas actúan como muelles. Los investigadores utilizaron modelos y algoritmos informáticos para desarrollar el diseño especial de estas placas microestructuradas y averiguar cómo unirlas entre sí. Son los muelles los que determinan si una determinada fuente de sonido pone en movimiento el sensor.
Infraestructura de vigilancia.
Entre los posibles usos de estos sensores sin pilas está la vigilancia de terremotos o edificios. Podrían, por ejemplo, registrar cuando un edificio presenta una grieta con la energía sonora o de ondas adecuada.
También hay interés en sensores sin pilas para vigilar pozos petrolíferos clausurados. Las fugas de gas en los pozos producen un silbido característico. Un sensor mecánico de este tipo podría detectar este silbido y activar una alarma sin consumir electricidad constantemente, lo que lo haría mucho más barato y requeriría mucho menos mantenimiento.
Alta miniaturización: cien elementos sensibles al sonido caben en tan solo 1mm x1 mm.
Serra-García también ve aplicaciones en dispositivos médicos, como los implantes cocleares. Estas prótesis para sordos requieren una fuente de alimentación permanente para el procesamiento de señales a partir de baterías. Su fuente de alimentación se encuentra detrás de la oreja, donde no hay espacio para grandes baterías.
Esto significa que los usuarios de estos dispositivos deben cambiar las pilas cada doce horas. Los novedosos sensores también podrían utilizarse para la medición continua de la presión ocular. "En el ojo no hay espacio suficiente para un sensor con batería", afirma Serra-García.
"También en la industria hay mucho interés por los sensores de energía cero", añade Serra-García. Su objetivo es lanzar un prototipo sólido en 2027. "Si para entonces no hemos conseguido atraer el interés de nadie, podríamos fundar nuestra propia start-up".
Información facilitada por la ETH Zurich
Fuente: Dubček T., Moreno-Garcia D., Haag T., et al. In-Sensor Passive Speech Classification with Phononic Metamaterials. Advanced Functional Materials (2024). DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202311877
