언젠가는 수백만 개의 배터리를 절약할 수 있다.

교량이나 건물 등 인프라를 모니터링하거나 청각 장애인용 보철물 등 의료기기에 사용되는 센서에는 지속적인 전원 공급이 필요하다. 이를 위한 에너지는 일반적으로 배터리에서 나오며, 배터리는 방전되는 즉시 교체된다.

이는 엄청난 폐기물 문제를 야기한다. EU 연구에 따르면 2025년에는 매일 7,800만 개의 배터리가 쓰레기통에 버려질 것으로 예상된다.

마크 세라-가르시아(Marc Serra-Garcia)와 ETH 취리히 지구물리학 교수인 요한 로버트슨(Johan Robertsson)이 이끄는 연구원들이 개발한 새로운 유형의 기계 센서가 이제 해결책을 제공할 수 있다.

그 창시자들은 이미 자신의 발명품에 대한 특허를 신청했으며 첨단 기능성 소재(Advanced Functional Materials) 저널에 그 원리를 논문으로 발표했다.

“센서는 순전히 기계적으로 작동하며 외부 에너지원이 필요하지 않다. 이는 단순히 음파에 포함된 진동 에너지를 활용하는 것뿐이다.”라고 로버트슨은 말한다.

특정 단어를 말하거나 특정 톤이나 소음이 생성될 때마다 방출되는 음파(이런 음파만)가 센서를 진동시킨다. 이 에너지는 꺼져 있던 전자 장치를 켜는 작은 전기 펄스를 생성하는 데 충분하다.

센서는 음성 단어 "3"과 "4"를 구별할 수 있다. "4"라는 단어는 "3"이라는 단어에 비해 센서와 공명하는 소리 에너지가 더 많기 때문에 센서가 진동하는 반면 "3"은 진동하지 않는다. 이는 "4"라는 단어가 장치를 켜거나 추가 프로세스를 트리거할 수 있음을 의미한다. "3"으로는 아무 일도 일어나지 않을 것이다.

최신 버전의 센서는 "켜기", "끄기", "위로", "아래로"와 같은 표준 기계 명령과 같이 최대 12개의 서로 다른 단어를 구별할 수 있어야 한다. 손바닥 크기의 프로토타입에 비해 새 버전은 썸네일 크기 정도로 훨씬 작으며 연구원들은 이를 더욱 소형화하는 것을 목표로 하고 있다.

센서는 메타물질로 알려져 있다. 센서에 특별한 특성을 부여하는 것은 사용된 물질이 아니라 구조이다.

마크 세라-가르시아는 "우리 센서는 순전히 실리콘으로 구성되어 있으며 기존 전자 센서처럼 독성 중금속이나 희토류를 포함하지 않는다."고 말한다.

센서는 작은 막대를 통해 서로 연결된 수십 개의 동일하거나 유사한 구조의 플레이트로 구성된다. 이러한 연결 막대는 스프링처럼 작동한다. 연구원들은 컴퓨터 모델링과 알고리즘을 사용하여 이러한 미세 구조 플레이트의 특수 설계를 개발하고 이를 서로 부착하는 방법을 알아냈다. 특정 음원이 센서를 움직이는지 여부를 결정하는 것은 스프링이다.

배터리가 필요 없는 이러한 센서의 잠재적인 사용 사례에는 지진이나 건물 모니터링이 포함된다. 예를 들어, 건물에 올바른 소리나 파동 에너지가 있는 균열이 생기면 이를 등록할 수 있다.

폐기된 유정을 모니터링하기 위한 배터리 없는 센서에도 관심이 있다. 가스는 시추공의 누출을 통해 빠져나가 특유의 쉭쉭 소리를 낼 수 있다. 이러한 기계식 센서는 지속적으로 전기를 소비하지 않고도 이러한 쉿소리를 감지하고 경보를 울릴 수 있으므로 훨씬 저렴하고 유지 관리가 훨씬 덜 필요하다.

마크 세라-가르시아는 인공와우와 같은 의료 기기에도 응용할 수 있다. 청각 장애인을 위한 이러한 보철물에는 배터리의 신호 처리를 위한 영구 전원 공급 장치가 필요하다. 전원 공급 장치는 귀 뒤에 위치하므로 대형 배터리 팩을 넣을 공간이 없다. 이는 해당 장치를 착용한 사람이 12시간마다 배터리를 교체해야 함을 의미한다. 새로운 센서는 안압의 지속적인 측정에도 사용될 수 있다.

"배터리가 있는 센서를 장착하기에는 눈에 공간이 충분하지 않다."라고 그는 말한다.

마크 세라-가르시아는 "업계에서도 제로 에너지 센서에 대한 관심이 매우 높다."라고 덧붙인다.

그는 더 이상 ETH에서 일하지 않고 네덜란드의 공공 연구 기관인 AMOLF에서 그와 그의 팀이 기계 센서를 개선하고 있다. 그들의 목표는 2027년까지 견고한 프로토타입을 출시하는 것이다.

“그때까지 누군가의 관심을 끌지 못했다면 우리만의 스타트업을 찾았을 수도 있다.”라고 그는 말한다.

출처: ETH 취리히