Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Teknologi

Hanya dengan jumpstart 50 juta elektron, sensor dapat memberi daya sendiri selama lebih dari setahun – ScienceDaily


Laboratorium Shantanu Chakrabartty telah bekerja untuk membuat sensor yang dapat bekerja dengan energi paling sedikit. Labnya telah berhasil membuat sensor yang lebih kecil dan lebih efisien, sehingga mereka mengalami hambatan dalam bentuk hukum fisika fundamental.

Namun terkadang, ketika Anda mencapai apa yang tampaknya menjadi penghalang jalan yang tidak dapat ditembus, Anda hanya perlu beralih ke fisika kuantum dan menerobosnya. Itulah yang dilakukan Chakrabartty dan peneliti lainnya di Sekolah Teknik McKelvey di Universitas Washington di St. Louis.

Pengembangan sensor kuantum bertenaga mandiri ini dari laboratorium Chakrabartty, Profesor Clifford W. Murphy di Departemen Sistem & Teknik Elektro Preston M.Green, dipublikasikan secara online pada 28 Oktober di jurnal tersebut. Komunikasi Alam.

Hambatan yang menginspirasi penelitian ini adalah efek ambang batas.

“Bayangkan ada apel yang tergantung di pohon,” kata Chakrabartty. “Anda bisa mengguncang pohonnya sedikit, tetapi apelnya tidak jatuh. Anda harus menariknya secukupnya untuk mengguncang apel.” Tarikan itu mirip dengan energi ambang batas. “Ini adalah jumlah energi minimal yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron melewati penghalang.” Jika Anda tidak dapat menggerakkan elektron melewati penghalang, Anda tidak dapat menciptakan arus.

Tapi fenomena mekanika kuantum yang terjadi secara alami memindahkan elektron melintasi penghalang sepanjang waktu. Tim peneliti memanfaatkan ini untuk membangun perangkat bertenaga sendiri yang, dengan masukan energi awal yang kecil, dapat berjalan sendiri selama lebih dari setahun.

Beginilah cara membangunnya

Perangkat ini sederhana dan murah untuk dibuat. Yang dibutuhkan hanyalah empat kapasitor dan dua transistor.

Dari enam bagian ini, tim Chakrabartty membangun dua sistem dinamis, masing-masing dengan dua kapasitor dan satu transistor. Kapasitor memiliki muatan awal yang kecil, masing-masing sekitar 50 juta elektron.

Mereka menambahkan transduser ke salah satu sistem dan menggabungkannya ke properti yang mereka ukur. Dalam satu aplikasi, tim mengukur gerakan mikro ambien menggunakan akselerometer piezoelektrik, sejenis transduser yang mengubah energi mekanik (seperti pergerakan molekul di udara) menjadi sinyal listrik.

Inilah yang perlu Anda ketahui

Fisika kuantum. Setidaknya beberapa sifat yang lebih tidak biasa dari partikel subatomik, khususnya terowongan.

Bayangkan sebuah bukit, kata Chakrabartty. “Jika Anda ingin ke sisi lain, Anda harus mendaki bukit secara fisik. Terowongan kuantum lebih seperti melewati bukit.”

Keindahan dari ini, katanya, adalah ketika bukit itu memiliki bentuk tertentu, Anda mendapatkan sifat dinamis yang sangat unik yang bisa bertahan selama bertahun-tahun.

Dalam hal ini, “bukit” sebenarnya adalah penghalang yang disebut penghalang terowongan Fowler-Nordheim. Ini diposisikan di antara pelat kapasitor dan bahan semikonduktor; tebalnya kurang dari 100 atom.

Dengan membangun penghalang dengan cara tertentu, Chakrabartty berkata, “Anda dapat mengontrol aliran elektron. Anda dapat membuatnya cukup lambat, turun ke satu elektron setiap menit dan tetap dapat diandalkan.” Pada tingkat itu, sistem dinamis berjalan seperti perangkat penunjuk waktu – tanpa baterai – selama lebih dari setahun.

Begini Cara kerjanya

Untuk mengukur gerakan ambien, akselerometer piezoelektrik kecil dihubungkan ke sensor. Para peneliti secara mekanis mengguncang akselerometer; gerakannya kemudian diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal ini mengubah bentuk penghalang, yang, berkat aturan fisika kuantum, mengubah kecepatan penerobosan elektron melalui penghalang.

Untuk memahami apa yang terjadi, proses tersebut perlu dibaca sebagai mesin Rube Goldberg yang mundur.

Probabilitas sejumlah elektron tertentu akan menerobos melalui penghalang adalah fungsi dari ukuran penghalang. Ukuran penghalang ditentukan oleh energi yang dihasilkan oleh transduser piezoelektrik, yang pada gilirannya, ditentukan oleh besarnya percepatan – seberapa besar guncangannya.

Dengan mengukur tegangan kapasitor sensor dan menghitung berapa banyak elektron yang hilang, Darshit Mehta, seorang mahasiswa PhD di lab Chakrabartty dan penulis utama makalah tersebut, dapat menentukan total energi percepatan.

Tentu saja, agar dapat digunakan secara praktis, perangkat yang sangat sensitif ini kemungkinan besar akan berpindah-pindah – di atas truk, melacak suhu lingkungan dalam pengelolaan vaksin rantai dingin, misalnya. Atau dalam darah Anda, memantau glukosa.

Itulah mengapa setiap perangkat sebenarnya adalah dua sistem, sistem penginderaan dan sistem referensi. Pada awalnya, keduanya hampir identik, hanya sistem penginderaan yang dihubungkan ke transduser sedangkan sistem referensi tidak.

Kedua sistem direkayasa sedemikian rupa sehingga elektron-elektron diteruskan pada kecepatan yang sama, ditakdirkan untuk menghabiskan kapasitor mereka secara identik seandainya tidak ada gaya luar yang berperan.

Karena sistem penginderaan dipengaruhi oleh sinyal yang diterimanya dari transduser, elektron-elektronnya masuk pada waktu yang berbeda dari sistem referensi. Setelah percobaan, tim peneliti membaca voltase di kapasitor sistem penginderaan dan referensi. Mereka menggunakan perbedaan dua tegangan untuk menemukan pengukuran sebenarnya dari transduser.

Untuk beberapa aplikasi, hasil akhir ini sudah cukup. Langkah selanjutnya untuk tim Chakrabartty adalah mengatasi tantangan komputasi untuk menciptakan kembali apa yang terjadi di masa lalu secara lebih tepat – bagaimana tepatnya elektron terpengaruh? Kapan terowongan elektron melewati penghalang? Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk terowongan?

Salah satu tujuan tesis PhD Mehta adalah menggunakan banyak perangkat untuk merekonstruksi masa lalu. “Semua informasi disimpan di perangkat, kami hanya perlu menghasilkan pemrosesan sinyal yang cerdas untuk menyelesaikannya,” kata Chakrabartty.

Pada akhirnya, sensor-sensor ini menjanjikan segalanya mulai dari pemantauan terus menerus kadar glukosa di dalam tubuh manusia, hingga kemungkinan merekam aktivitas saraf tanpa menggunakan baterai.

“Saat ini, platformnya generik,” kata Chakrabartty. “Itu tergantung pada apa yang Anda pasangkan ke perangkat. Selama Anda memiliki transduser yang dapat menghasilkan sinyal listrik, transduser dapat memberi daya sendiri pada sensor-data-logger kami.”

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney