Sistema di sensori a ultrasuoni intelligente e flessibile secondo il principio modulare

Schizzo del principio del concetto modulare del sistema ad ultrasuoni »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Schizzo schematico del concetto modulare del sistema ad ultrasuoni »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Moduli singoli del sistema ad ultrasuoni »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Moduli individuali del sistema ad ultrasuoni »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Moduli singoli del sistema ad ultrasuoni »SonoOne« © Fraunhofer IBMT / Moduli individuali del sistema ad ultrasuoni »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Nel quadro del Centro Fraunhofer per l'Intelligenza dei Sensori ZSI è stato sviluppato il sistema di sensori ultrasuoni intelligente e flessibile «SonoOne» secondo il principio modulare. «SonoOne» può prospetticamente servire il mercato degli ultrasuoni, in rapido sviluppo, in modo altamente flessibile, in particolare nel settore dei sistemi portatili, con prodotti innovativi. «SonoOne» è composto dal lato hardware da moduli economici, delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, che possono essere facilmente combinati, configurati e utilizzati in modo universale per le più diverse attività di misurazione acustica grazie al concetto modulare.

L'ultrasuono è una tecnologia versatile, economica, in grado di operare in tempo reale e non invasiva, che si è dimostrata efficace in un ampio spettro di applicazioni, dalla medicina all'industria. Nel settore medico, l'ultrasuono viene impiegato in diversi livelli di complessità. Tuttavia, anche i sistemi più economici sono ancora nel range di diverse migliaia di euro, il che limita il loro utilizzo nel settore finale (wearables, mHealth, Smart Health) e l'accesso ai mercati di massa sia in ambito medico che tecnico. Ad esempio, nel 2021, il volume di mercato per i dispositivi indossabili medici era di 27,2 miliardi di USD, mentre il mercato dei dispositivi di misurazione del flusso sanguigno, basati principalmente sulla tecnologia Doppler degli ultrasuoni, ha raggiunto nello stesso anno solo un volume di 0,533 miliardi di USD. Soprattutto nel settore economico per applicazioni IoT, come i wearables, il potenziale di mercato per i sensori a ultrasuoni è ancora molto grande, combinato con analisi automatizzate dei segnali e classificazione tramite intelligenza artificiale.

L'ultrasuono è anche una tecnica molto diffusa nelle applicazioni industriali, ad esempio per misurare velocità di flusso, distanze o livelli di riempimento. A differenza delle applicazioni mediche, gli oggetti di indagine sono molto più grandi, con forme e materiali diversi. Pertanto, sono disponibili sul mercato sistemi dedicati, con diversi livelli di integrazione. Questi sistemi sono o progettati per essere flessibili e quindi complessi e costosi, oppure sono sviluppati specificamente per un'unica applicazione e quindi potenzialmente economici da produrre.

Con il sistema di sensori «SonoOne», l'Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Biomedica IBMT è riuscito a sviluppare un sistema di sensori a ultrasuoni intelligente e flessibile secondo il principio modulare, per poter servire il mercato degli ultrasuoni in rapido sviluppo, in particolare nel settore dei sistemi portatili, con prodotti innovativi. Esso è composto dal lato hardware da moduli economici, delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, che possono essere facilmente combinati, configurati e utilizzati in modo universale per le più diverse attività di misurazione acustica grazie ai connettori di collegamento applicati, grazie al concetto modulare.

L'intelligenza del sensore consiste nell'analisi e nella valutazione dei segnali acustici temporali registrati. Ciò può avvenire tramite un'unità di calcolo esterna collegata via WiFi, come ad esempio un tablet, uno smartphone, oppure tramite un'unità di calcolo compatta adattata, in modo che, secondo l'approccio Edge-KI, l'intelligenza venga trasferita direttamente nei sistemi stessi e solo il risultato venga trasmesso come valore di misurazione. È prevista anche l'analisi in reti cloud, in modo che grandi quantità di dati possano essere raccolti, centralmente archiviati, analizzati e elaborati da numerosi sensori in diverse località.

Inoltre, grazie all'approccio modulare, tecnologie innovative future (come accumulatori di energia efficienti, nuovi standard di comunicazione, nuovi materiali per sensori a ultrasuoni, tecnologie di produzione nell'elettronica e algoritmi di analisi migliorati) possono essere facilmente utilizzate attraverso lo sviluppo e lo scambio di singoli moduli, creando così le basi per l'impiego degli ultrasuoni in applicazioni completamente nuove.

La configurazione minima di ogni sistema «SonoOne» comprende i seguenti tre moduli:

1. Un modulo di ultrasuoni comprensivo di trasduttore per la rilevazione di segnali acustici temporali su un ampio intervallo di frequenze (kHz-MHz)
2. Un modulo di comunicazione per la parametrizzazione e il controllo del modulo di ultrasuoni, nonché per il trasferimento dei dati acustici, ad esempio via WiFi, a un dispositivo finale o a un server per l'analisi del segnale
3. Un modulo di alimentazione per fornire le tensioni di alimentazione necessarie

Inoltre, viene utilizzato un firmware per il controllo del processo di misurazione, nonché per la comunicazione e la parametrizzazione del sistema. L'interfaccia hardware con il PC è costituita da una scheda microcontrollore commerciale, che implementa sia un'interfaccia USB sia un'interfaccia WLAN. Questa permette lo scambio bidirezionale di informazioni di controllo e stato, nonché la trasmissione dei dati acustici in tempo reale. Con un'interfaccia utente, il sistema a ultrasuoni può essere parametrizzato, il segnale acustico temporale può essere monitorato in tempo reale, analizzato e memorizzato utilizzando diversi algoritmi di filtraggio e analisi.

La struttura modulare del sistema a ultrasuoni, unitamente alla vasta conoscenza applicativa, consente al Fraunhofer ZSI di rispondere alle molteplici esigenze specifiche di diverse aziende e settori, sviluppando rapidamente un prodotto economico e pronto per il mercato.

Centro Fraunhofer per l'Intelligenza dei Sensori ZSI

Il Centro Fraunhofer per l'Intelligenza dei Sensori ZSI è un'iniziativa strategica congiunta di ricerca e sviluppo della Fraunhofer-Gesellschaft für Angewandte Forschung e della Saarland. Serve come punto di riferimento centrale per rafforzare la ricerca e la scienza nella regione della Saarland a beneficio della società e dell'economia.

Il Fraunhofer ZSI sviluppa sistemi di sensori di nuova generazione con componenti di intelligenza artificiale per applicazioni nei settori della verifica dei materiali, dei processi produttivi e biomedici, nonché nel settore sanitario. L'intero processo, dalla raccolta dei dati all'analisi e alla valutazione, è al centro dell'attenzione. Per la prima volta vengono impiegati sensori o sistemi di sensori in grado di prendere decisioni autonome in tempo reale e sul posto, contribuendo così a controllare i processi in un quadro definito. L'approccio olistico e integrato favorisce lo sviluppo di sistemi applicativi innovativi in collaborazione con partner del mondo della scienza e dell'industria. Questi, in una fase successiva, completeranno e amplieranno i prodotti dei partner.