Mikrodynamiczny czujnik ruchu

Naukowcy z Centrum Bitów i Atomów MIT Center for Bits and Atoms (CBA) skonstruowali czujnik ruchu, który składa się z miniaturowej metalowej kulki zawieszonej w czymś, co dyrektor centrum, Neil Gershenfeld, określa jako ‘otwór wywiercony w płytce z połączeniami elektrycznymi’. Oscylujące pole elektryczne utrzymuje kulkę w górze na ciasnej orbicie, a odchylenia od orbity wskazują na wykryty przez czujnik ruch. Gershenfeld wierzy, że czujnik ten otwiera drzwi do zupełnie nowej klasy zminiaturyzowanych urządzeń, które wykorzystują dynamikę prostych systemów fizycznych zamiast mechanicznych interakcji precyzyjnie obrobionych elementów. Takie ‘mikrodynamiczne’ urządzenia mogłyby pozwolić na skonstruowanie tańszych i prostszych czujników dla całego spektrum zastosowań, włącznie z pomiarami dźwięku, ciśnienia, przepływu cieczy, czy pola magnetycznego.

Skonstruowane w CBA MIT urządzenie może zastąpić przynajmniej sześć różnych czujników mikromechanicznych. Może mierzyć liniowy ruch w trzech wymiarach, co w innym wypadku wymagałoby zastosowania trzech przyspieszeniomierzy. Wskazuje również orientację, co w innym przypadku wymagałoby zastosowania trzech dodatkowych żyroskopów.

Taki sześciowymiarowy czujnik uczyniłby detekcję ruchu w przenośnych urządzeniach o wiele precyzyjniejszym. Kontroler Wii nie potrzebowałby, na przykład, nadajnika podczerwieni instalowanego na telewizorze. Rehmi Post z CBA, który zainicjował projekt jeszcze jako student MIT wskazuje na to, że trójwymiarowy przyspieszeniomierz jest najdroższym elementem sterowania Wii. Wierzy on, że w przyszłości sześciowymiarowy czujnik mikrodynamiczny mógłby być produkowany za jedną dziesiątą tej sumy.

„Jeśli faktycznie są w stanie osiągnąć sześć stopni, to by było coś.” – powiedział Michael Judy z Analog Devices, dostawcy przyspieszeniomierzy dla Wii. „To jest teraz coś w rodzaju Świętego Graala.” Zastosowanie czujników ruchu jest szczególnie pożądane w nawigacji w środowiskach, w których GPS zawodzi.

Gershenfeld wymienia również inne potencjalne zastosowania: przewijanie stron internetowych, czy oglądanie trójwymiarowych wirtualnych obiektów pod różnymi kątami, po prostu przez poruszanie telefonem w przestrzeni.

W sercu nowego czujnika znajduje się pułapka cząsteczkowa, urządzenie wykorzystywane w fizyce doświadczalnej. Pułapka jest bardzo prosta: dwa metalowe talerze na dwóch stronach płytki z połączeniami elektrycznymi z otworem o średnicy przewodu elektrycznego. Talerze generują pole elektryczne sterowane przez komputer.

Cząsteczka znajdująca się w pułapce nie pozostaje idealnie w bezruchu, ale szybko oscyluje. Każdy z sześciu rodzajów ruchu wykrywany jest przez zestaw przyspieszeniomierzy i żyroskopów.

„To wspaniałe odkrycie i ma ogromny potencjał, ale wymaga jeszcze wiele pracy.” – stwierdził Judy. Wskazał na to, że generowanie pola elektrycznego w prototypowym czujniku wymaga napięcia na poziomie tysiąca wolt. Wytworzenie takiego napięcia w przenośnym urządzeniu nie jest niemożliwe, ale jest bardzo nieefektywne. „Im wyższe napięcie, więcej energii wymaga osiągnięcie go.” – powiedział Judy. Dla porównania, soczewki w aparatach w telefonach komórkowych potrzebują napięcia na poziomie 100 wolt, a dzisiejsze technologie pozwalają generować takie napięcie efektywnie. Komercyjna wersja czujnika wykorzystywałaby prawdopodobnie mniejszą pułapkę. „Potrzebne napięcie maleje, gdy maleje średnica pułapki.” – dodał.

Innym nierozwiązanym zagadnieniem jest to, jak mierzyć oscylacje cząsteczek. W prototypie, naukowcy z CBA wykorzystali miniaturową kamerę, ale Gershenfeld twierdzi, że wbudowanie czujnika optycznego w praktyczne, produkowane na masową skalę urządzenie jest nie lada wyzwaniem inżynierskim. W międzyczasie, naukowcy pracują nad wersją urządzenia, w którym metalowa kulka umocowana jest na przewodzie, który bezpośrednio przekazuje elektryczne informacje o oscylacjach. Przewód ograniczyłby ruch cząsteczki w jednym wymiarze, ale czujnik byłby łatwiejszy w produkcji, a wciąż byłby użyteczny choćby w samochodach.

(lk)