Des capteurs alimentés par le son pourraient économiser des millions de batteries

Les capteurs qui surveillent les infrastructures telles que les ponts ou les structures ou qui sont utilisés dans des dispositifs médicaux, tels que les prothèses auditives ont besoin d'électricité en permanence. L'énergie pour cela provient généralement de batteries qui sont remplacées dès qu'elles sont vides. Cela crée un énorme problème de gaspillage. Une étude de l'UE suppose qu'en 2025, 78 millions de batteries finiront à la poubelle, chaque jour.

Un nouveau capteur mécanique développé par des chercheurs dirigés par Marc Serra-Garcia et le professeur de géophysique ETH Johan Robertsson pourrait aider. Ils ont déjà déposé un brevet pour leur invention et ont présenté le principe dans la revue Advanced Functional Materials.

« Le capteur fonctionne de manière purement mécanique et n'a pas besoin d'une source d'énergie externe. Il utilise uniquement l'énergie vibratoire contenue dans les ondes sonores », explique Johan Robertsson.

Lorsque l'on prononce un mot précis ou que l'on entend un son ou un bruit, les ondes sonores qui en émanent - et elles seules - font vibrer le capteur. Cette énergie est alors suffisante pour générer une minuscule impulsion électrique qui allume un appareil électronique éteint.

Le prototype que les chercheurs ont développé dans le laboratoire de Robertsson dans le parc d'innovation de Dübendorf a déjà été breveté. Il peut distinguer entre les mots parlés « trois » et « quatre ». Le mot « quatre » a plus d'énergie sonore que le mot « trois », qui définit le capteur dans les vibrations de résonance. Cela commence à faire vibrer le capteur. Le mot trois, en revanche, ne génère pas de résonance dans le capteur. Le mot « quatre » pourrait donc allumer un appareil ou déclencher d'autres processus. Rien ne se passerait avec « trois ».

Les variantes plus récentes du capteur doivent pouvoir distinguer jusqu'à douze mots différents, tels que les commandes de machine standard telles que « sur », « hors », « jusqu'à » ou « vers le bas ». Ils sont également beaucoup plus petits que le prototype: s'il était encore gros comme un palmier, les nouveaux ont à peu près la taille d'une vignette et les chercheurs s'efforcent de poursuivre la miniaturisation.

Le capteur est un soi-disant méta-matériau. Ce n'est pas le matériau utilisé qui assure ses propriétés spéciales, mais la structure. « Le capteur est en silicone uniquement et ne contient ni métaux lourds toxiques ni terres rares telles que des capteurs électroniques conventionnels », souligne Serra-Garcia.

Le capteur est construit à partir de dizaines de plaques identiques ou de structure similaire qui sont reliées les unes aux autres par de minuscules bandes. Ces barres de liaison agissent comme des ressorts. Les chercheurs ont développé la conception spéciale de ces plaques microstructurées et leur interdépendance à l'aide de modèles informatiques et d'algorithmes. Ces ressorts sont également cruciaux si une certaine source sonore démarre le capteur ou non.

Surveiller l'infrastructure

Les capteurs sans batterie peuvent être utilisés, par exemple, dans la surveillance des tremblements de terre ou des bâtiments. Le capteur pourrait enregistrer, entre autres choses, si un bâtiment obtient une fissure qui a le son ou l'énergie des vagues corrects.

Il y a aussi un intérêt pour les capteurs sans batterie lors de la surveillance des puits de pétrole désaffectés. Le gaz peut échapper aux fuites dans les trous, ce qui crée un sifflement caractéristique. Un tel capteur mécanique pourrait percevoir ce sifflement et déclencher une alarme sans consommer constamment d'électricité. Ce serait nettement moins d'entretien et moins cher lors de l'entretien des systèmes.

Serra-Garcia voit également des applications dans les dispositifs médicaux, tels que les implants d'escargots auditifs. Pour le traitement du signal, ces prothèses pour les sourds ont besoin d'une alimentation permanente à partir de batteries situées derrière l'oreille, où il n'y a pas d'espace pour les grandes batteries. Les porteurs de tels dispositifs doivent donc remplacer les batteries toutes les 12 heures. De tels capteurs pourraient aussi être utilisés pour la mesure en continu de la pression oculaire. « Il n'y a pas assez d'espace dans l'œil pour un capteur avec une batterie », dit le chercheur.

« L'industrie est également très intéressée par les capteurs zéro énergie », explique Serra-Garcia. Il ne travaille plus à l'ETH, mais se développe avec son équipe au centre de recherche public Amolf les capteurs mécaniques continuent de fonctionner aux Pays-Bas et l'objectif est de lancer un prototype solide d'ici à 2027. « Si nous n'avons pas trouvé de parties intéressées d'ici là, nous pouvons démarrer notre propre jeune pousse. »

Références
Dubcek T, Moreno-Garcia D, Haag T, et coll. Classification de la Voix Passive avec des Métamatériaux Phononiques. Conseiller. Function. Matériel 2024, 2311877. DOI: DOI: 10.1002 /adfm.202311877

Texte: Peter Rüegg
Source: https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2024/01/schallbetriebene-sensoren-sparen-millionen-von-batterien.html