Système de capteur à ultrasons intelligent et flexible selon le principe de modularité

Esquisse du principe du concept modulaire du système à ultrasons « SonoOne ». © Fraunhofer IBMT / Croquis schématique du concept modulaire du système à ultrasons « SonoOne ». © Fraunhofer IBMT

Modules individuels du système à ultrasons »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Modules individuels du système à ultrasons »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Modules individuels du système à ultrasons « SonoOne » © Fraunhofer IBMT / Modules individuels du système à ultrasons « SonoOne ». © Fraunhofer IBMT

Dans le cadre du Centre Fraunhofer pour l'intelligence des capteurs ZSI, le système de capteurs ultrasonores intelligent et flexible « SonoOne » a été développé selon un principe modulaire. « SonoOne » pourra à terme répondre de manière très flexible au marché ultrasonore en pleine expansion, notamment dans le domaine des systèmes portables, avec des produits innovants. « SonoOne » se compose matériellement de modules peu coûteux, de la taille d'une boîte d'allumettes, qui peuvent être facilement combinés, configurés et utilisés de manière universelle pour diverses tâches de mesure acoustique grâce à leur conception modulaire.

Les ultrasons sont une technologie flexible, économique, en temps réel et non invasive, qui a fait ses preuves dans un large éventail d'applications, de la médecine à l'industrie. Dans le domaine médical, les ultrasons sont utilisés à différents niveaux de complexité. Cependant, même les systèmes les plus abordables restent coûteux, à plusieurs milliers d'euros, ce qui limite leur utilisation pour les consommateurs finaux (wearables, mHealth, Smart Health) et leur accès aux marchés de masse, tant dans le contexte médical que technique. Par exemple, en 2021, le volume du marché des wearables médicaux s’élevait à 27,2 milliards de dollars US, tandis que celui des appareils de mesure du flux sanguin, principalement basés sur la technologie Doppler ultrasonore, n’atteignait que 0,533 milliard de dollars US la même année. Le secteur des applications IoT abordables, comme les wearables, offre encore un grand potentiel pour la détection ultrasonore, notamment lorsqu’il est combiné à des analyses de signaux automatisées et à une classification par intelligence artificielle.

Les ultrasons sont également très répandus dans l’industrie, par exemple pour mesurer la vitesse d’écoulement, les distances ou les niveaux de remplissage. Contrairement aux applications médicales, les objets techniques examinés diffèrent nettement en taille, forme et matériau. Par conséquent, des systèmes spécifiques à chaque application, avec différents degrés d’intégration, sont disponibles sur le marché. Ces systèmes sont soit flexibles mais complexes et coûteux, soit conçus spécifiquement pour une seule application, ce qui peut réduire leur coût de fabrication.

Grâce au système de capteurs « SonoOne », l’Institut Fraunhofer pour la technologie biomédicale IBMT a réussi à développer un système de capteurs ultrasonores intelligent et flexible, basé sur un principe modulaire, afin de répondre à la croissance rapide du marché ultrasonore, en particulier dans le domaine des systèmes portables, avec des produits innovants. Il se compose matériellement de modules peu coûteux, de la taille d'une boîte d’allumettes, qui peuvent être facilement combinés, configurés et utilisés de manière universelle pour diverses tâches de mesure acoustique grâce à leur conception modulaire, en utilisant des connecteurs amovibles.

L’intelligence du capteur réside dans l’analyse et l’évaluation des signaux acoustiques enregistrés. Cela peut être réalisé par une unité de calcul externe connectée via WiFi, comme une tablette ou un smartphone, ou par une unité de calcul compacte adaptée, permettant selon l’approche Edge-AI de déporter l’intelligence directement dans les systèmes eux-mêmes, ne transmettant que le résultat sous forme de valeur de mesure. Une évaluation dans des réseaux cloud est également prévue, permettant de collecter, stocker, analyser et traiter de grandes quantités de données provenant de nombreux capteurs situés à différents endroits.

De plus, grâce à l’approche modulaire, les technologies innovantes futures (stockage d’énergie efficace, nouvelles normes de communication, nouveaux matériaux pour capteurs ultrasonores, technologies de fabrication en électronique et algorithmes d’analyse améliorés) peuvent être facilement exploitées par développement et échange de modules individuels, créant ainsi une base pour l’utilisation des ultrasons dans des applications totalement nouvelles.

La configuration minimale de chaque système ultrasonore « SonoOne » comprend les trois modules suivants :

1. Un module ultrasonore comprenant un transducteur ultrasonore pour la capture de signaux de temps ultrasonores sur une large gamme de fréquences (kHz-MHz)
2. Un module de communication pour la paramétrisation et la commande du module ultrasonore ainsi que pour le transfert des données ultrasonores, par exemple via WiFi, vers un appareil final ou un serveur pour l’analyse du signal
3. Un module d’alimentation pour fournir les tensions nécessaires

De plus, un firmware est utilisé pour contrôler le déroulement d’une mesure, ainsi que pour la communication et la paramétrisation du système. L’interface matérielle avec le PC est assurée par une carte microcontrôleur commerciale, qui intègre une interface USB ainsi qu’une interface WLAN. Elle permet l’échange bidirectionnel d’informations de contrôle et d’état, ainsi que la transmission en temps réel des données ultrasonores. Avec une interface utilisateur, le système ultrasonore peut être paramétré, le signal ultrasonore en temps réel visualisé, analysé et enregistré à l’aide de divers filtres et algorithmes d’évaluation.

La conception modulaire du système ultrasonore, ainsi que la vaste expertise applicative, permettent au ZSI de Fraunhofer de répondre aux besoins spécifiques variés de différentes entreprises et industries, et de développer rapidement un produit économique et prêt pour le marché.

Centre Fraunhofer pour l’intelligence des capteurs ZSI

Le Centre Fraunhofer pour l’intelligence des capteurs ZSI est une initiative stratégique conjointe de la société Fraunhofer pour la recherche appliquée e. V. et du Land de Sarre. Il sert de point de contact central pour renforcer la recherche et la science dans la grande région de Sarre, au bénéfice de la société et de l’économie.

Le ZSI Fraunhofer développe des systèmes de capteurs de nouvelle génération intégrant des composants d’IA pour des applications dans les domaines du contrôle des matériaux, des processus de production et biologiques, ainsi que dans le secteur de la santé. L’ensemble du processus, de la collecte des données à leur analyse et leur évaluation, est au centre des préoccupations. Pour la première fois, des capteurs ou systèmes de capteurs sont utilisés pour prendre des décisions en temps réel et de manière autonome sur place, permettant ainsi de contrôler des processus dans un cadre défini. Cette approche holistique et intégrée contribue à développer, en collaboration avec des partenaires issus du monde scientifique et industriel, des systèmes d’application innovants. À terme, ces systèmes doivent compléter et enrichir les produits des partenaires.