Potrebbero bastare pochi secondi di preavviso per mitigare la devastazione di un imminente terremoto? Piccoli sensori in fase di sviluppo in un laboratorio della Simon Fraser University potrebbero aiutare a dare un avvertimento preventivo, abbastanza per proteggere l'infrastruttura critica, come ponti o linee elettriche, e potenzialmente salvare vite umane.

I ricercatori dell'Intelligent Sensing Laboratory del professor Behraad Bahreyni presso il campus della SFU nel Surrey stanno creando accelerometri ultrasensibili, minuscoli microsistemi (meno di 1 cm ² ) in grado di catturare le attività sismiche più sensibili.

"Quando si verifica un terremoto, il suo suono, sotto forma di onde di pressione sismica, viaggia più veloce dei distruttivi movimenti terrestri, " spiega Bahrenyi. "La sensibilità di questi dispositivi è tale da poter captare le onde di pressione prodotte da un terremoto prima che colpisca. Questo potrebbe avere un impatto sull'esito di un simile disastro".

Bahrenyi afferma che l'alto costo dei sensori sismici esistenti limita la loro applicazione a pochissime località, collegato alle principali infrastrutture. "Pochi secondi o minuti di avvertimento al pubblico potrebbero ridurre drasticamente l'impatto negativo di un terremoto, sia in termini di salvataggio di vite che di protezione delle infrastrutture".

Il laboratorio di Bahreyni ha iniziato a sviluppare i suoi accelerometri come soluzione per rendere i sistemi sonar subacquei più compatti ed economici. I ricercatori hanno collaborato con Ultra Electronics Maritimes Systems con sede ad Halifax, che ha fornito finanziamenti per sviluppare sistemi sonar per il rilevamento delle minacce subacquee con capacità di difesa e sicurezza migliorate.

"Abbiamo cercato di sviluppare in modo più economico, prodotti più compatti che soddisfino severi requisiti di prestazione e che potrebbero anche determinare la direzione e l'ampiezza delle onde sonore, "dice Bahreyni, professore associato presso la School of Mechatronic Systems Engineering (MSE) della SFU. Negli ultimi due decenni ha sviluppato sensori e sistemi di rilevamento sia per il mondo accademico che per l'industria.

Bahreyni si rese presto conto che le alte prestazioni, gli accelerometri microlavorati in fase di test e sviluppo nel suo laboratorio potrebbero avere ulteriori applicazioni nel rilevamento delle onde sonore. Questo vale per i segnali di pressione sismica a bassa frequenza provenienti da terremoti, o modelli di vibrazione ad alta frequenza lungo le condutture, causati da piccoli rumori di fughe di gas.

La ricerca ha portato ad una start-up, axSense Technologies, che ha ricevuto il premio BC Tech Association nel concorso tecnologico New Ventures del BC Innovation Council 2017.

Come funziona

I dispositivi realizzati dal gruppo di Bahreyni misurano quanto viene spostata la minuscola "massa sismica" di silicio, a causa di vibrazioni esterne, utilizzando un'elettronica di precisione.

I numeri sono da capogiro:al suo limite il sensore misura spostamenti di massa sismica nell'ordine di 1/10, 000esimo del diametro di un atomo di idrogeno.

Il sensore può rilevare il suono di una balena che chiama da 60 miglia di distanza. Per realizzare la massa sismica e la predisposizione per rilevarne gli spostamenti, il gruppo utilizza le strutture di microfabbricazione avanzate presso i 4D LABS di SFU.

Gli accelerometri dell'azienda hanno un livello di rumore 20 volte migliore di quello attualmente disponibile, e una larghezza di banda quattro volte migliore rispetto ai prodotti attuali. Bahreyni è fiducioso che le prime misurazioni delle prestazioni attribuite a questi accelerometri abbiano il potenziale per rendere axSense, e le sue varie applicazioni, un leader di mercato.

Il laboratorio SFU è considerato il principale laboratorio di ricerca canadese incentrato su materiali, dispositivi e sistemi per varie applicazioni di rilevamento. Bahreyni afferma che raggiungere livelli così elevati di prestazioni ha richiesto una progettazione di precisione, e ottimizzazione di processo e sistema a tutti i livelli, dai materiali all'elaborazione del segnale.

"Abbiamo dovuto sviluppare nuovi metodi, solo per testare i dispositivi, " osserva. I tipici accelerometri misurano fino alla "gamma milli-g". Bahreyni afferma che mentre è più che sufficiente per le applicazioni quotidiane, è lontano da ciò che è necessario per captare adeguatamente un segnale sonoro, notando che i suoi accelerometri misurano circa "mille volte" meglio del dispositivo medio.

Accredita il suo team di studenti per aver contribuito a una forte meccanica, elettronico, e capacità di progettazione per progettare e testare i dispositivi. Il team del laboratorio, che include il ricercatore post-dottorato Soheil Azimi e Fatemeh Edalatfar, sta anche lavorando per creare soluzioni per l'interfaccia uomo-robot, inclusi sensori per aiutare i robot a vedere e seguire gli umani senza la necessità di videocamere, nano-dispositivi per il monitoraggio ambientale, e tecniche di apprendimento automatico per migliorare i segnali dei sensori.

Bahreyni, che è autore di più di 100 pubblicazioni tecniche e possiede cinque brevetti, afferma che il suo laboratorio continua a portare avanti la ricerca con partner industriali nel settore automobilistico, settore della difesa e delle telecomunicazioni. Si aspetta di commercializzare i suoi accelerometri nei prossimi anni.