Inteligentní a flexibilní ultrazvukový senzorový systém podle stavebnicového principu

Náčrt principu modulárního konceptu ultrazvukového systému »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Schematický nákres modulárního konceptu ultrazvukového systému »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Individuální moduly ultrazvukového systému »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Individuální moduly ultrazvukového systému »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Individuální moduly ultrazvukového systému »SonoOne« © Fraunhofer IBMT / Individuální moduly ultrazvukového systému »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

V rámci Fraunhoferova centra pro senzorovou inteligenci ZSI byl vyvinut inteligentní a flexibilní ultrazvukový senzorový systém „SonoOne“ podle modulárního principu. „SonoOne“ může perspektivně obsluhovat rychle se rozvíjející trh s ultrazvukem, zejména v oblasti přenosných systémů, s inovativními produkty vysoké flexibility. „SonoOne“ sestává hardwarově z cenově dostupných, velikosti zápalkové krabičky odpovídajících modulů, které lze jednoduše spojit, nakonfigurovat a díky modulárnímu konceptu univerzálně použít pro různé akustické měřicí úkoly.

Ultrazvuk je flexibilně použitelná, nákladově efektivní, v reálném čase schopná a neinvazivní technologie, která se osvědčila v širokém spektru aplikací od medicíny po průmyslové využití. V oblasti medicínských aplikací se ultrazvuk používá v různých stupních složitosti. Nicméně i nejlevnější systémy stále stojí několik tisíc eur, což omezuje jejich použití v koncovém uživateli (nositelné zařízení, mHealth, Smart Health) a v masových trzích jak v medicíně, tak v technickém kontextu. Například v roce 2021 činil trh s medicínskými nositelnými zařízeními 27,2 miliardy USD, zatímco trh s přístroji na měření průtoku krve, převážně založenými na ultrazvukové Dopplerově technologii, dosáhl jen objemu 0,533 miliardy USD. Především v levném segmentu pro IoT aplikace, například nositelná zařízení, existuje velký tržní potenciál pro ultrazvukové senzory ve spojení s automatizovanou analýzou signálů a jejich klasifikací pomocí umělé inteligence.

Ultrazvuk je také široce používanou metodou v průmyslových aplikacích, například pro měření rychlosti proudění, vzdáleností nebo hladin. Na rozdíl od medicínských aplikací jsou technické objekty podrobené zkoumání podstatně větší, s odlišnými tvary a materiály. Proto jsou na trhu dostupné specializované, aplikačně specifické systémy s různou úrovní integrace. Tyto systémy jsou buď flexibilní a tím složité a drahé, nebo jsou speciálně vyvinuty pro jedinou aplikaci a mohou být tak levnější na výrobu.

Systém „SonoOne“ umožnil Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT vyvinout inteligentní a flexibilní ultrazvukový senzorový systém podle modulárního principu, který má potenciál obsluhovat rychle se rozvíjející trh s ultrazvukem, zejména v oblasti přenosných systémů, s inovativními produkty. Hardwarově sestává z cenově dostupných modulů velikosti zápalkové krabičky, které lze jednoduše spojit, nakonfigurovat a díky modulárnímu konceptu univerzálně použít pro různé akustické měřicí úkoly pomocí připojených konektorů.

Inteligence senzoru spočívá v analýze a vyhodnocení zaznamenaných akustických časových signálů. To může být provedeno pomocí externího výpočetního zařízení připojeného přes WiFi, například tabletu, smartphonu, nebo pomocí adaptované kompaktní výpočetní jednotky, takže podle přístupu Edge-KI je inteligence přímo přesunuta do samotného systému a pouze výsledek je přenášen jako měřicí hodnota. Vyhodnocení je rovněž možné v cloudových sítích, což umožňuje shromažďování a centrální analýzu velkých datových objemů z různých senzorů na různých místech.

Kromě toho lze díky modulárnímu přístupu snadno využívat budoucí inovativní technologie (efektivní energetické uložiště, nové bezdrátové standardy, nové materiály pro ultrazvukové senzory, výrobní technologie v elektronice a vylepšené analytické algoritmy) prostřednictvím dalšího vývoje a výměny jednotlivých modulů, čímž je vytvořen základ pro využití ultrazvuku v úplně nových aplikacích.

Minimální konfigurace každého systému „SonoOne“ zahrnuje následující tři moduly:

1. Ultrazvukový modul včetně ultrazvukového měniče pro zachycení ultrazvukových časových signálů v širokém frekvenčním rozsahu (kHz–MHz)
2. Komunikační modul pro parametrizaci a řízení ultrazvukového modulu a přenos ultrazvukových dat například přes WiFi na koncové zařízení nebo server pro analýzu signálů
3. Napájecí modul pro zajištění potřebného napájení

Kromě toho je používán firmware pro řízení průběhu měření a komunikaci, parametrizaci systému. Hardwarové rozhraní k PC tvoří komerčně dostupná mikrořídicí deska, která kromě USB rozhraní implementuje také WiFi rozhraní. Umožňuje obousměrnou výměnu řídicích a stavových informací a přenos ultrazvukových dat v reálném čase. Pomocí uživatelského rozhraní lze ultrazvukový systém nakonfigurovat, sledovat ultrazvukový časový signál v reálném čase, analyzovat jej s různými filtry a algoritmy vyhodnocení a ukládat.

Modulární konstrukce ultrazvukového systému a rozsáhlé znalosti v oblasti aplikací umožňují Fraunhofer ZSI rychle reagovat na různé specifické potřeby různých podniků a odvětví a odvodit z nich tržně připravený, cenově dostupný produkt.

Fraunhoferovo centrum pro senzorovou inteligenci ZSI

Fraunhoferovo centrum pro senzorovou inteligenci ZSI je společná strategická výzkumná iniciativa Fraunhofer-Gesellschaft pro aplikovaný výzkum e. V. a Saarlandu. Jako centrální kontaktní místo slouží ke zvýšení výzkumu a vědy v regionu Saarland ve prospěch společnosti a hospodářství.

Fraunhofer ZSI vyvíjí senzory nové generace s komponentami AI pro aplikace v oblasti materiálového testování, výrobních a bioprostředí a zdravotnictví. Zaměřuje se na celý proces od sběru dat po analýzu a vyhodnocení. Poprvé jsou nasazeny senzory nebo senzory systémy, které dokážou v reálném čase a autonomně rozhodovat na místě a tím řídit procesy v definovaném rámci. Celostní, integrativní přístup přispívá k vývoji inovativních aplikačních systémů ve spolupráci s partnery z vědy a průmyslu. Tyto systémy mají v pozdější fázi doplňovat a rozšiřovat produkty partnerů.