Nowa era zminiaturyzowanych czujników i sensorów

56

Czerpanie inspiracji z natury pomaga w rozwiązywaniu skomplikowanych technologicznie problemów w tworzeniu coraz lepszych i dokładniejszych sensorów. Im wierniej będą naśladować naturę tym efektywniejsza stanie się jakość odczytu z dokonywanych pomiarów. Nad rozwojem takich technologii pracują uczeni i inżynierowie w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT), najnowocześniejszym laboratorium wdrożeniowym Politechniki Warszawskiej.  Polska może skutecznie uczestniczyć w światowym wyścigu uczonych, zajmujących się takimi badaniami, tylko pod jednym warunkiem, że będą pieniądze na takie działania.

 Na rynku dostępna jest ogromna masa czujników i sensorów, które dokonują pomiaru różnych parametrów fizycznych i chemicznych. Badają temperaturę, wilgotność, ciśnienie, ruch, skład chemiczny, stężenie zanieczyszczeń i wiele innych wskaźników. Są częścią urządzeń zasilanych prądem z sieci. Postęp technologiczny wymusza jednak tworzenie  zupełnie nowej ery zminiaturyzowanych czujników i sensorów, które do działania w systemie Internetu Rzeczy, będą pobierały znikomą ilość energii z otoczenia. Nad ich konstrukcją pracują uczeni w Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT).

Miniaturyzacja wymaga zazwyczaj całkowitej zmiany konstrukcji budowanych dotychczas czujników, które do zasilania  będą potrzebowały znikomej ilości energii, pobieranej ze źródeł zewnętrznych. Niezmiernie ważny jest także dobór odpowiednich materiałów koniecznych do ich wykonania. Od tego bowiem zależy efektywność i czułość dokonywanych pomiarów różnych parametrów fizycznych i chemicznych, a także wydajność i odporność na uszkodzenia bezprzewodowej sieci czujnikowej.

– Na półkach sklepowych dostępnych jest wiele czujników, które dokonują różnych pomiarów, ale one są dla nas bezużyteczne – przekonuje prof. dr hab. inż. Romuald Beck, zastępca dyrektora ds. naukowych w Cezamacie. – Wymagają całkowitego przekonstruowania. Nie można ich zminiaturyzować, ponieważ rozmiary tych sensorów zostały dostosowane  precyzyjnie do funkcji i działania jaką mają spełniać. Nie były też konstruowane po to, żeby pobierać jak najmniej energii, ponieważ korzystają z prądu w sieci. Prace nad tworzeniem nowej generacji czujników trzeba zatem rozpoczynać od zera.

Czujniki badają  różne parametry np. wilgotność, temperaturę, ruch, stężenie zanieczyszczeń i wiele  innych wskaźników. Dla każdego z tych celów ich konstrukcja, zasada działania i technologia wykonania będzie odmienna.  Zawsze jednak czujnik musi przekazywać do pozostałej części węzła w bezprzewodowej sieci Internetu Rzeczy, komunikat w postaci elektronicznej. Wynik pomiaru zamieniony zostaje na określoną wartość napięcia, a w istocie na informacje, która dopiero dalej podlega obróbce i wysyłce.

–  Czujniki znajdują się bardzo często w niedostępnych dla człowieka miejscach, nad którymi tracimy kontrolę – informuje profesor. – W sieci, gdzie te węzły się ze sobą komunikują powstaje pewien obraz sytuacji rozlokowany w przestrzeni dwu lub trzywymiarowej. Z czasem jednak ten obraz będzie się zmieniał, bo niektóre z tych elementów mogą ulec uszkodzeniu. Istnieje zatem tendencja do znacznego powiększania liczby tych węzłów,  co również zwiększa zapotrzebowanie na energię. Miniaturowe czujniki tej energii pobierają znacznie mniej.

Miniaturyzacja czujników jest kluczowa w systemie funkcjonowania Internetu Rzeczy, który jest gigantyczną siecią komunikujących się ze sobą miliardów przedmiotów i urządzeń w jednym czasie. Do ich budowy potrzebne są odpowiednie materiały o szczególnych właściwościach, które spełnią określone wymagania. Musi to być spójne  także z konstrukcją i jakością materiałów, z których wykonane są sąsiadujące czujniki, aby się wzajemnie nie wykluczały, prowadząc do zakłócenia pracy całego systemu.

– Bardzo często musimy znaleźć zupełnie nowy materiał i sposób jego wytwarzania, dodaje profesor Romuald Beck. – Powstaje konieczność całkowitej zmiany podejścia do tworzenia nawet tych indywidualnych sensorów. Dążymy do  uzyskania  zwiększonej czułości tego sensora na odczytywany parametr. Fascynujące jest to, że w ramach jednego czujnika poruszamy się w kilku światach. Zarówno w świecie inżynierii materiałowej, jak również bioinżynierii.

Uczeni zajmują się w Cezamacie opracowywaniem takich konstrukcji, które pozwalają spełnić wszystkie te oczekiwania na raz i budować nową erę czujników. To wymaga nie tylko doświadczenia naukowego i dużej wiedzy z różnych dziedzin, ale także niezwykłej kreatywności i wyobraźni uczonych. Ten potencjał można wykorzystywać tylko pod warunkiem, odpowiedniego finansowania badań aplikacyjnych w Polsce. W przeciwnym razie  marzenia o rozwoju innowacyjności w naszym kraju będą się ciągle oddalać.

(JC)

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here