Un nouveau capteur mécanique développé par une équipe dirigée par Marc Serra-Garcia et Johan Robertsson exploite les vibrations sonores pour s’alimenter, éliminant ainsi le besoin de piles. Ce capteur polyvalent et écologique, fabriqué en silicone, peut reconnaître des sons spécifiques pour des applications dans les infrastructures, les dispositifs médicaux et l’industrie. Ci-dessus, un prototype du capteur sonore. Crédit : Astrid Robertsson / ETH Zurich
Les capteurs utilisés dans la surveillance des infrastructures telles que les ponts et les bâtiments, ou dans les dispositifs médicaux tels que les prothèses pour malentendants, nécessitent une source d’alimentation continue. Généralement, cette énergie est fournie par des batteries, qui sont jetées et remplacées une fois épuisées, ce qui entraîne un énorme problème de gaspillage.
Une étude de l’UE prévoit qu’en 2025, 78 millions de batteries finiront à la poubelle tous les jours.
Un nouveau type de capteur mécanique, développé par les chercheurs dirigés par Marc Serra-Garcia et le professeur de géophysique de l’ETH Johan Robertsson, pourrait désormais apporter une solution. Ses créateurs ont déjà déposé un brevet pour leur invention et viennent d’en présenter le principe dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.
Certaines ondes sonores font vibrer le capteur
« Le capteur fonctionne de manière purement mécanique et ne nécessite aucune source d’énergie externe. Il utilise simplement l’énergie vibratoire contenue dans les ondes sonores », explique Robertsson.
Chaque fois qu’un certain mot est prononcé ou qu’un ton ou un bruit particulier est généré, les ondes sonores émises – et uniquement celles-ci – font vibrer le capteur. Cette énergie est alors suffisante pour générer une minuscule impulsion électrique qui allume un appareil électronique éteint.
Le prototype développé par les chercheurs dans le laboratoire de Robertsson au Switzerland Innovation Park Zurich à Dübendorf a déjà été breveté. Il peut faire la distinction entre les mots prononcés « trois » et « quatre ». Étant donné que le mot « quatre » a plus d’énergie sonore qui résonne avec le capteur que le mot « trois », il fait vibrer le capteur, alors que « trois » ne le fait pas. Cela signifie que le mot « quatre » pourrait allumer un appareil ou déclencher d’autres processus. Rien ne se passerait avec « trois ».
Les variantes les plus récentes du capteur devraient être capables de distinguer jusqu’à douze mots différents, tels que les commandes machine standard telles que « on », « off », « up » et « down ». Par rapport au prototype de la taille d’une paume, les nouvelles versions sont également beaucoup plus petites – de l’ordre de la taille d’une vignette – et les chercheurs visent à les miniaturiser davantage.
Métamatériau sans substances problématiques
Le capteur est ce qu’on appelle un métamatériau : ce n’est pas le matériau utilisé qui confère au capteur ses propriétés particulières, mais plutôt sa structure. « Notre capteur est uniquement constitué de silicone et ne contient ni métaux lourds toxiques ni terres rares, comme le font les capteurs électroniques conventionnels », explique Serra-Garcia.
Le capteur comprend des dizaines de plaques identiques ou de structure similaire reliées entre elles par de minuscules barres. Ces barres de liaison agissent comme des ressorts. Les chercheurs ont utilisé une modélisation informatique et des algorithmes pour développer la conception spéciale de ces plaques microstructurées et déterminer comment les attacher les unes aux autres. Ce sont les ressorts qui déterminent si une source sonore particulière met ou non le capteur en mouvement.
Surveillance des infrastructures
Les cas d’utilisation potentiels de ces capteurs sans batterie incluent la surveillance des tremblements de terre ou des bâtiments. Ils pourraient, par exemple, enregistrer lorsqu’un bâtiment développe une fissure qui possède la bonne énergie sonore ou ondulatoire.
Il existe également un intérêt pour les capteurs sans batterie pour surveiller les puits de pétrole déclassés. Du gaz peut s’échapper des fuites dans les forages, produisant un sifflement caractéristique. Un tel capteur mécanique pourrait détecter ce sifflement et déclencher une alarme sans consommer constamment d’électricité – ce qui le rendrait beaucoup moins cher et nécessiterait beaucoup moins d’entretien.
Capteur pour implants médicaux
Serra-Garcia voit également des applications dans les dispositifs médicaux, tels que les implants cochléaires. Ces prothèses pour sourds nécessitent une alimentation permanente pour le traitement du signal à partir de piles. Leur alimentation est située derrière l’oreille, là où il n’y a pas de place pour de grosses batteries. Cela signifie que les porteurs de tels appareils doivent remplacer les piles toutes les douze heures. Les nouveaux capteurs pourraient également être utilisés pour la mesure continue de la pression oculaire. « Il n’y a pas assez d’espace dans l’œil pour un capteur équipé d’une batterie », dit-il.
« Les capteurs sans énergie suscitent également un grand intérêt dans l’industrie », ajoute Serra-Garcia. Il ne travaille plus à l’ETH mais à l’AMOLF, un institut de recherche public aux Pays-Bas, où lui et son équipe perfectionnent les capteurs mécaniques. Leur objectif est de lancer un prototype solide d’ici 2027. « Si nous ne parvenons pas à susciter l’intérêt d’ici là, nous pourrions créer notre propre start-up. »
