Sistema de sensores ultrasónicos inteligente y flexible basado en el principio de construcción modular

Esquema conceptual del concepto modular del sistema de ultrasonido »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Esquema esquemático del concepto modular del sistema de ultrasonido »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Módulos individuales del sistema de ultrasonido »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Módulos individuales del sistema de ultrasonido »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Módulos individuales del sistema de ultrasonido »SonoOne« © Fraunhofer IBMT / Módulos individuales del sistema de ultrasonido »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Dentro del marco del Centro Fraunhofer para la Inteligencia de Sensores ZSI, se ha desarrollado el sistema de sensores ultrasónicos inteligente y flexible «SonoOne» basado en un principio modular. «SonoOne» puede, en perspectiva, atender de manera altamente flexible el mercado de ultrasonidos en rápida expansión, especialmente en el ámbito de los sistemas portátiles, con productos innovadores. «SonoOne» consiste en hardware en módulos económicos del tamaño de una caja de cerillas, que pueden combinarse, configurarse y utilizarse de manera universal para diversas tareas de medición acústica mediante un concepto modular que permite su integración sencilla en diferentes aplicaciones.

El ultrasonido es una tecnología flexible, económica, capaz de realizar mediciones en tiempo real y no invasiva, que ha demostrado su eficacia en un amplio espectro de aplicaciones, desde la medicina hasta la industria. En el ámbito médico, el ultrasonido se emplea en diferentes niveles de complejidad. Sin embargo, incluso los sistemas más económicos siguen costando varios miles de euros, lo que limita su uso en el ámbito final del usuario (wearables, mHealth, Smart Health) y en la atención a mercados masivos, tanto en contextos médicos como técnicos. Por ejemplo, en 2021, el volumen de mercado de los wearables médicos fue de 27,2 mil millones de USD, mientras que el mercado de dispositivos de medición de flujo sanguíneo, en su mayoría basados en tecnología Doppler de ultrasonido, alcanzó solo 0,533 mil millones de USD en ese mismo año. Especialmente en el segmento económico para aplicaciones IoT, como los wearables, existe un gran potencial de mercado para la tecnología de sensores ultrasónicos, combinada con análisis automáticos de señales y clasificación mediante inteligencia artificial.

El ultrasonido también es un método ampliamente utilizado en aplicaciones industriales, por ejemplo, para medir velocidades de flujo, distancias o niveles de llenado. A diferencia de las aplicaciones médicas, los objetos de estudio en la industria son mucho más grandes y presentan diferencias significativas en tamaño, forma y material. Por ello, existen sistemas específicos para cada aplicación, con diferentes grados de integración en el mercado. Estos sistemas pueden ser flexibles y, por tanto, complejos y costosos, o diseñados específicamente para una única aplicación, lo que los hace potencialmente económicos en su fabricación.

Con el sistema de sensores «SonoOne», el Instituto Fraunhofer para Tecnología Biomédica IBMT ha logrado desarrollar un sistema de sensores ultrasónicos inteligente y flexible, basado en un principio modular, para atender de manera futura el mercado de ultrasonidos en rápida expansión, especialmente en el ámbito de los sistemas portátiles, con productos innovadores. Está compuesto por módulos económicos del tamaño de una caja de cerillas que, mediante conectores plug-in, pueden combinarse, configurarse y utilizarse de manera universal en diferentes aplicaciones acústicas, gracias a su concepto modular.

La inteligencia del sensor reside en el análisis y la evaluación de las señales acústicas en el tiempo que se registran. Esto puede realizarse mediante una unidad de procesamiento externa conectada por WiFi, como una tableta, un teléfono inteligente, o mediante una unidad de procesamiento compacta adaptada, de modo que, siguiendo el enfoque Edge-KI, la inteligencia se traslade directamente a los propios sistemas, transmitiendo solo el resultado como valor medido. También está prevista la evaluación en redes en la nube, de modo que grandes volúmenes de datos puedan ser recogidos, almacenados, analizados y procesados de manera centralizada en diferentes ubicaciones mediante múltiples sensores.

Además, mediante el enfoque modular, tecnologías innovadoras futuras (almacenamiento de energía eficiente, nuevos estándares de radiofrecuencia, nuevos materiales para sensores ultrasónicos, tecnologías de fabricación en electrónica y algoritmos de análisis mejorados) pueden ser fácilmente aprovechadas mediante el desarrollo y reemplazo de módulos individuales, creando así la base para el uso del ultrasonido en aplicaciones completamente nuevas.

La configuración mínima de cada sistema de ultrasonidos «SonoOne» consta de los siguientes tres módulos:

1. Un módulo ultrasónico con transductor ultrasónico para captar señales de ultrasonido en un amplio rango de frecuencias (kHz-MHz)
2. Un módulo de comunicación para parametrizar y controlar el módulo ultrasónico, así como para transferir los datos ultrasónicos, por ejemplo, vía WiFi a un dispositivo final o servidor para análisis de señales
3. Un módulo de alimentación para proporcionar las tensiones necesarias

Además, se emplea un firmware para gestionar el proceso de medición, así como para la comunicación y parametrización del sistema. La interfaz de hardware con el PC es una placa microcontroladora comercial que, además de una interfaz USB, implementa también una interfaz WLAN. Permite el intercambio bidireccional de información de control y estado, así como la transmisión en tiempo real de los datos ultrasónicos. Con una interfaz de usuario, el sistema ultrasónico puede ser parametrizado, y la señal de ultrasonido en tiempo real puede ser monitorizada, analizada y almacenada mediante diferentes algoritmos de filtrado y evaluación.

La estructura modular del sistema ultrasónico, junto con el amplio conocimiento en aplicaciones, permite al ZSI de Fraunhofer responder a las diversas necesidades específicas de diferentes empresas y sectores, desarrollando rápidamente un producto rentable y apto para el mercado.

Centro Fraunhofer para la Inteligencia de Sensores ZSI

El Centro Fraunhofer para la Inteligencia de Sensores ZSI es una iniciativa conjunta estratégica de investigación y desarrollo de la Sociedad Fraunhofer para la Investigación Aplicada e.V. y del Saarland. Como punto de referencia central, fortalece la investigación y la ciencia en la región del Saarland en beneficio de la sociedad y la economía.

El ZSI de Fraunhofer desarrolla sistemas de sensores de próxima generación con componentes de IA para aplicaciones en control de materiales, procesos de producción y bioprocesos, así como en el sector de la salud. El proceso completo, desde la captura de datos hasta el análisis y la evaluación, es el foco principal. Por primera vez, se emplean sensores o sistemas de sensores que toman decisiones en tiempo real y de forma autónoma en el lugar, controlando procesos dentro de un marco definido. El enfoque integral e inclusivo contribuye a desarrollar, junto con socios del mundo académico y empresarial, sistemas de aplicación innovadores que, en fases posteriores, complementarán y ampliarán los productos de los socios.