Maakt een sensor ‘op geluidsgolven’ miljoenen batterijen overbodig?

Onderzoekers aan de ETH Zürich hebben een sensor ontwikkeld die energie uit geluidsgolven gebruikt om elektronische apparaten te besturen. Dit zou in de toekomst miljoenen batterijen overbodig kunnen maken. Dat scheelt nogal een slok op een borrel: een EU-studie gaat ervan uit dat in 2025 elke dag 78 miljoen batterijen worden weggegooid.

Een nieuw type mechanische sensor, ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Marc Serra-Garcia en ETH-geofysicaprofessor Johan Robertsson, zou daar verandering in kunnen brengen. Ze hebben al patent aangevraagd op hun uitvinding en hebben het principe nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials.
"De sensor werkt puur mechanisch en heeft geen externe energiebron nodig. Hij maakt gewoon gebruik van de trillingsenergie in geluidsgolven", zegt Johan 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 door de onderzoekers in het laboratorium van Robertsson in het Innovation Park in Dübendorf is al 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. Hierdoor gaat de sensor trillen. 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" zou er niets gebeuren.
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 een zogenaamd metamateriaal. Het is niet het gebruikte materiaal dat het zijn speciale eigenschappen geeft, maar de structuur. "De sensor bestaat alleen uit silicium 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 speciale ontwerp van deze microstructuurplaatjes en hoe ze aan elkaar vastzitten te ontwikkelen. Deze 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 zonder constant elektriciteit te verbruiken. Dit zou aanzienlijk minder onderhoud vergen en goedkoper zijn.

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.

AMOLF

"De industrie is ook erg geïnteresseerd in energieneutrale sensoren," legt Serra-Garcia uit. Hij werkt niet meer bij ETH, maar ontwikkelt voortdurend mechanische sensoren samen met zijn team bij het openbare onderzoekscentrum AMOLF in Nederland. 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."