Jak czujniki ultradźwiękowe zmienią świat w ciągu najbliższych 50 lat

Od chwili narodzin czujnika ultradźwiękowy stał się najważniejszą infrastrukturą w społeczeństwie cyfrowym, ponieważ może pomóc ludziom przekształcić informacje, które kiedyś były nieznane i trudne do oceny, w łatwo dostępne i dokładniejsze dane. W 2011 roku założyciel i inwestor venture capital firmy Netscape przedstawił bardzo twórczy i już zrealizowany pogląd: „Oprogramowanie zjada świat”. Do dziś, jeśli zastąpisz w zdaniu „oprogramowanie” słowem „czujnik ultradźwiękowy”, ten sam argument ma zastosowanie.

Od smartfonów po inteligentne urządzenia głosowe, od platform energetycznych po sprzęt przemysłowy, czujniki w naturalny sposób „dostępne” są jako organy wewnętrzne łączące ludzi z maszynami, samymi ludźmi i środowiskiem naturalnym. Wraz z rozwojem czujników i powiązanych technologii sprzętowych i programowych, takich jak przechowywanie danych, magazynowanie energii, nowe materiały i infrastruktura sieciowa, a także ciągłym spadkiem kosztów, Scenariusze zastosowań ultradźwiękowych przetworników przepływu będą coraz liczniejsze.

Przewiduje się, że do roku 2020 w naszym codziennym życiu na całym świecie będzie 300 miliardów czujników, wielkość rynku osiągnie 10,5 miliarda dolarów, a wielkość rynku elastycznych czujników nadających się do druku osiągnie 7,3 miliarda dolarów.

Jakie są zatem współczesne zastosowania czujników ultradźwiękowych? Jaką ewolucję przejdą czujniki w przyszłości, a nawet za kolejne 50 lat, i jak zmienią świat?

1. Czujniki są dziś wszędzie

Od elektroniki użytkowej po rolnictwo, od transportu po medycynę, od energetyki po lotnictwo, od przemysłu po zarządzanie miastem – czujniki są głęboko zintegrowane z ludzką produkcją i życiem.

1. Elektronika użytkowa

W dziedzinie elektroniki użytkowej, w miarę jak ludzie coraz bardziej zwiększają swoje wymagania funkcjonalne niestandardowe czujniki ultradźwiękowe są zintegrowane z różnymi produktami. Na przykład smartfon jest wyposażony w ponad dziesięć czujników, takich jak czujnik światła, czujnik odległości, czujnik grawitacji, żyroskop, GPS, czujnik odcisków palców i tak dalej.

2. Rolnictwo

W rolnictwie za pomocą czujników ultradźwiękowych zainstalowanych na zwierzętach lub w budynkach gospodarskich możemy monitorować stan zdrowia zwierząt i różne zagrożenia w czasie rzeczywistym, aby zminimalizować choroby i śmiertelność zwierząt oraz zwiększyć produktywność i płodność. Dzięki czujnikom znajdującym się w terenie możemy dokładnie poznać dane pogodowe i glebowe, aby określić najlepszy czas na sadzenie, nawadnianie, nawożenie i zbiory.

3. Architektura

W inteligentnych budynkach czujniki ultradźwiękowe mogą monitorować jakość powietrza, natężenie światła, stężenie dymu, zmiany temperatury i inne dane w budynku w czasie rzeczywistym, co pozwala nam lepiej zarządzać jakością powietrza w pomieszczeniach, zmniejszać zużycie energii oraz poprawiać środowisko życia i pracy.

4. Opieka zdrowotna

W służbie zdrowia czujnik ultradźwiękowy może być stosowany do kontrolowania leków i stylu życia pacjentów z chorobami przewlekłymi, takimi jak cukrzyca i wysokie ciśnienie krwi. Może także pomóc dzieciom lub opiekunom w monitorowaniu w czasie rzeczywistym osób starszych cierpiących na chorobę Alzheimera i inne choroby. W przypadku wykrycia nieprawidłowości można natychmiast zwrócić się o pomoc lekarską lub wezwać pogotowie.

Za pomocą czujnika ultradźwiękowego lekarz może zdalnie monitorować tętno pacjenta, ciśnienie krwi, poziom cukru we krwi, elektrokardiogram i inne wskaźniki stanu zdrowia, a także może zażywać elektroniczne pigułki, aby zrozumieć leki i leczenie pacjenta oraz udzielać w odpowiednim czasie porad. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki mogą obniżyć koszty leczenia szpitalnego, poprawić jakość leczenia oraz zmniejszyć częstotliwość kosztownych przyjęć w nagłych przypadkach i kosztów hospitalizacji.

5. Zarządzanie miastem

W przypadku wydziałów zarządzania miastem czujniki ultradźwiękowe mogą pomóc menedżerom w zrozumieniu działania linii metra i urządzeń, takich jak gaz, energia elektryczna, woda, ścieki itp. Mogą monitorować ruch pojazdów drogowych i pieszych w czasie rzeczywistym oraz dostosowywać strategie transportowe w odpowiednim czasie, aby zmniejszyć zatory w ruchu; możesz wiedzieć, gdzie kierowcy samochodów mają wolne miejsca parkingowe, aby uniknąć niepotrzebnej straty czasu i zmniejszyć emisję dwutlenku węgla; potrafią nawet wykrywać i śledzić wybuchy i rozprzestrzenianie się chorób.

6. Inne pola

Bez czujników ultradźwiękowych nie byłoby Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0. W przemyśle, energetyce, wojsku itp. czujniki mogą zapewnić predykcyjną konserwację sprzętu. Analizując dane zebrane przez czujniki ultradźwiękowe, mogą one reagować na potencjalne problemy, minimalizując w ten sposób koszty przestojów sprzętu.

Po drugie, bardziej ekscytująca przyszłość

W przyszłości czujniki ultradźwiękowe staną się mniejsze, tańsze, dokładniejsze, bardziej elastyczne, bardziej energooszczędne i bardziej przyjazne dla środowiska, zdolne do gromadzenia większej liczby rodzajów danych i integrowania coraz większej liczby nowych technologii.

1. Mniejszy i tańszy

Dzięki zastosowaniu różnych nowych platform i nowych materiałów producenci mogą wytwarzać mniejsze czujniki ultradźwiękowe, których wydajność może sięgać nawet komponentów elektronicznych na poziomie milimetrowym i mikrofalowym, a przy zastosowaniu mniejszej ilości krzemu koszty zostaną znacznie obniżone. Jednocześnie nowa platforma obniży także koszty projektowania, rozwoju i produkcji czujników. Na dłuższą metę samokalibrujące się czujniki ultradźwiękowe są bardzo opłacalne. Dzięki automatycznej kalibracji można zmniejszyć liczbę i czas konserwacji czujnika, a także znacznie obniżyć koszty konserwacji. Ponadto czujniki samonaprawiające się będą miały szerszy zakres zastosowań i niższe koszty utrzymania, szczególnie w przypadku różnych katastrof i zagrożeń.

2. Większa dokładność

Obecnie badania nad wielokanałowym, kooperatywnym wykrywaniem widma są wciąż w powijakach. W przyszłości, gdy technologia będzie dojrzała, będzie zapewniać dokładniejsze dane monitorowania niż obecne czujniki jednokanałowe.

Dokładniejsze, niezawodne i powtarzalne czujniki ultradźwiękowe będą miały więcej zastosowań w sprzęcie medycznym i innych dziedzinach, a osiągane przez nie funkcje będą również potężniejsze.

3. Bardziej elastyczny i bardziej elastyczny

Elastyczne czujniki stanowią ważny kierunek przyszłego rozwoju czujników. Obecnie elastyczne czujniki światła, czujniki PH, czujniki jonowe i bioczujniki są wciąż na wczesnym etapie rozwoju. W przyszłości te elastyczne czujniki będą miały bardziej innowacyjne zastosowania, takie jak sztuczna skóra, czujniki do noszenia i czujniki mikroruchu.

Dzięki technologii mikroprzewodów i polu magnetycznemu czujnik ultradźwiękowy może być smukły jak włosy i elastyczny, bez zasilania, i może mierzyć temperaturę, ciśnienie, napięcie, naprężenie, skręcanie i położenie bez kontaktu.

4. Lepsza percepcja i więcej danych

Przyszłe czujniki będą skuteczniej naśladować ludzkie zmysły w celu wykrywania, przetwarzania i analizowania złożonych sygnałów, takich jak zagrożenia biologiczne, zapachy, ciśnienie materiału, patogeny i korozja. Na przykład te zaawansowane czujniki ultradźwiękowe potrafią nie tylko wykryć dużą liczbę pojedynczych analitów (takich jak dwutlenek węgla), ale także rozszyfrować każdy składnik zapachu. Ponadto inteligentny kurz to mikroskopijny czujnik napędzany wibracjami, który może monitorować różne sytuacje, takie jak pola bitew, wieżowce czy zatkane arterie.

5. Więcej zastosowań medycznych

Obecnie wiele czujników związanych ze zdrowiem wykorzystuje się głównie w dziedzinie rozrywki i stylu życia, a ich funkcje nie mogą spełniać wymagań klasy medycznej. W przyszłości więcej czujników klasy medycznej uzyska rygorystyczne zatwierdzenia regulacyjne i będzie można je stosować w medycynie.

Wraz z miniaturyzacją systemów laboratoryjnych rozwój nowych technologii wykrywania zagrożeń biologicznych zostanie przyspieszony, a czujniki ultradźwiękowe staną się prawdziwymi urządzeniami klasy medycznej, a nie prostymi zastosowaniami życiowymi i rozrywkowymi. Badania lekarskie będą łatwiejsze. Jeden przyrząd testujący może przeanalizować więcej substancji i zmniejszyć potrzebę badania próbek. Na przykład badanie stanu zdrowia można przeprowadzić na podstawie płynów ustrojowych, takich jak pot i łzy.

Tabletki do połykania to zastosowanie miniaturyzacji systemów laboratoryjnych. Na przykład wiele start-upów z branży technologii medycznych wykorzystało czujniki w celu zastąpienia tradycyjnej endoskopii w celu zmniejszenia bólu pacjenta. Istnieją również opracowane przez firmy technologiczne pigułki do połykania lub wszczepiania, które można podawać w organizmie w sposób ciągły przez długi czas, ułatwiając codzienne leczenie pacjentów.

6. Większa oszczędność energii

Obecnie większość czujników ultradźwiękowych nie jest zbyt energooszczędna, ponieważ są one zawsze włączone. W przyszłości czujniki staną się inteligentniejsze i będą działać w oparciu o określone warunki. Można je aktywować dopiero po osiągnięciu określonego warunku, a gdy znajdują się w trybie czuwania, zużycie energii jest prawie zerowe.

Ponadto czujnik ultradźwiękowy może również pozyskiwać energię z otaczającego środowiska, aby zapewnić dłuższą pracę. Źródłem energii czujnika może być na przykład wysiłek fizyczny, ciśnienie, światło lub różnica między ciepłem ciała pacjenta a otaczającym powietrzem.

7. Bardziej przyjazny dla środowiska

W przyszłości przyjazne dla środowiska i biodegradowalne czujniki ultradźwiękowe staną się coraz bardziej popularne. Na przykład czujnikiem ultradźwiękowym może być zasilana bakteriami, ulegająca degradacji bateria na bazie papieru. Taki czujnik ultradźwiękowy może być stosowany w takich dziedzinach, jak zarządzanie gruntami rolnymi, monitorowanie środowiska, monitorowanie obiegu żywności lub badania medyczne bez zanieczyszczania środowiska.

8. Większa złożoność i lepsza kompatybilność

Koordynując pracę, ultradźwiękowy czujnik przetwornika zyska dodatkową złożoność. Klastry czujników mogą lepiej koordynować pracę między czujnikami oraz określać zakres i lokalizację pracy za pośrednictwem autonomicznego systemu uczenia się. Ponadto przyjęcie różnych nowych technologii sprawi, że czujnik ultradźwiękowy będzie bardziej zróżnicowany. Na przykład dzięki technologii laserowej czujnik ultradźwiękowy może zidentyfikować skład materiału na podstawie unikalnego widma materiału; czujnik czasu przelotu może mierzyć odległość między dwoma obiektami za pomocą impulsów światła podczerwonego; wykonane z materiałów pzt, takich jak kryształy piezoelektryczne, specjalna ceramika, kości, DNA, białka itp. Czujniki piezoelektryczne mogą lepiej reagować na ciśnienie zewnętrzne i ciepło utajone.

W przyszłości postępy w różnych naukach podstawowych będą w dalszym ciągu sprzyjać szybkiej ewolucji technologii czujników. Czujnik ultradźwiękowy stanie się bardziej zminiaturyzowany i przyjazny dla użytkownika, a interakcja człowiek-komputer będzie bardziej przyjazna; jednocześnie staną się bardziej niewidoczne i mniej zauważalne. Ponieważ czujniki ultradźwiękowe są głębiej zintegrowane z naszym codziennym życiem, a także integrowane z nowymi technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja, w przyszłym połączonym i zautomatyzowanym świecie czujniki ultradźwiękowe poprawią nasze życie.