Top

تطوير مستشعرات منخفضة التكلفة للحفاظ على الحياة

البروفيسور عاطف شميم، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، يعمل على أنظمة الاستشعار الذكية مع مجموعته البحثية.

بقلم ديفيد مورفي, من أخبار جامعة الملك عبدالله

تعتبر أنظمة مراقبة المناطق البيئية الكبيرة مهمة جداً في التعامل مع الكوارث الطبيعية والأزمات مثل حرائق الغابات أو تسرّب الغاز الصناعي والمواد الكيميائية. وتعتمد الأنظمة الحالية للإنذار المبكر على الرصد بالأقمار الصناعية وأبراج المراقبة أو أجهزة الاستشعار الثابتة والتي تكون في العادة باهظة التكلفة، ولا يمكن تنفيذ بنيتها التحتية إلا في مناطق محددة. حيث أن تركيب شبكات هذه الأنظمة على مساحات واسعة ليس عمليًا، فتكلفة التركيب سترتفع بشكل غير معقول، خاصة في المناطق النائية.

وفي هذا السياق، تسعى مجموعة من الباحثين في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية إلى معالجة هذه المخاوف البيئية والتكلفة العالية من خلال تطوير حلول مجدية في شكل نظام استشعار فعال ومنخفض التكلفة ومصمم بالطباعة ثلاثية الأبعاد. وتكمن آلية عمل هذا النظام، الذي طوّره فريق بحثي بقيادة البروفيسور عاطف شميم، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية، بواسطة نشر مستشعرات منخفضة التكلفة في المناطق عالية المخاطر تكون متصلة لاسلكياً ببعضها البعض بعدد قليل من العُقد الثابتة (منصات مركزية) والتي تعمل على تشغيل الإنذار. ويستطيع هذا النظام الذكي الكشف عن الغازات الضارة والتغيرات الحاصلة في درجة الحرارة والرطوبة وهي إمكانيات يمكن أن تحدث ثورة في تقنيات المراقبة والرصد البيئي.

البروفيسور عاطف شميم، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، يعمل على أنظمة الاستشعار الذكية مع مجموعته البحثية.

 
يقول البروفيسور شميم: "كانت الفكرة الرئيسية هي إنشاء أجهزة استشعار لاسلكية منخفضة التكلفة، يمكنها استشعار البيانات وإرسالها. حيث أردنا أن نثبت أنه يمكن الاستغناء عن المستشعرات التقليدية المكلفة والثابتة للرصد البيئي. لذا أردنا ابتكار مستشعرات منخفضة التكلفة ومتغيرة وسهلة الاستخدام".

 تم اختبار المنصة المركزية لأجهزة الاستشعار، التي صممها محمد فاروقي، طالب في مرحلة الدكتوراه بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، في كل من المختبر وعلى أرض الواقع. فهي لا تتعرّض للتلف في حالة إسقاطها من ارتفاع شاهق أو تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة تصل إلى ٧٠ درجة مئوية.

البروفيسور عاطف شميم، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، يعمل على أنظمة الاستشعار الذكية مع مجموعته البحثية.

 ​
 أضاف البروفيسور شميم قائلاً: "نسمي هذا بالتصنيع المضاف. فبفضل تصميمنا، أردنا استخدام التقنية الرقمية بشكل كامل لعدم إهدار أي مواد لأننا نطبع المواد فقط عند الحاجة إليها. فلدينا في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية مجموعة متنوعة من الطابعات الممتازة التي يمكنها الطباعة على مواد غير مكلفة مثل البلاستيك فضلاً عن أنواع مختلفة من الورق وغيرها من المواد المختلفة".

 ويتم إنتاج المستشعرات والهوائي المطبوعين بتقنية الحبر النفاث على جدران حزمة مكعبة مصممة بالطباعة ثلاثية الأبعاد، تحتوي هذه الجدران على إلكترونيات دقيقة مُطورة على لوحة دوائر مصممة هي أيضًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد. تحتوي المنصات المركزية الصغيرة البالغ حجمها ٢ سم على بطارية ولوحة دائرة إلكترونية دقيقة مع هوائي يرسل في أي اتجاه. وبما أن أجهزة الاستشعار ستكون قابلة للنشر في البيئة في مواقع عشوائية، فسيلزم توفير طلاء واقٍ ضد الغبار أو مياه الأمطار ونحو ذلك.


تتكون المنصة المركزية في جهاز المستشعر اللاسلكي من حزمة مكعب وظيفي مصمم بطباعة ثلاثية الأبعاد تحتوي على مستشعرات وهوائي مطبوعان بالحبر النفاث. كما أن لوحة الدوائر مصممة هي أيضًا بطباعة ثلاثية الأبعاد وتحتوي على إلكترونيات دقيقة مغلقة في الحزمة.

 ثم أردف البروفيسور شميم قائلاً: "قمنا بطباعة الهوائي والمستشعرات على جدران الحزمة بحيث تصبح هذه الحزمة فعّالة، على عكس حزم الإلكترونيات التقليدية، والتي تعمل فقط كأدوات حماية للإلكترونيات وليس لديها أي وظيفة إضافية. ولهذا السبب نطلق عليها اسم النظام القائم على الحزمة (SoP)".

 ويمكن للمنصات المركزية للمستشعر أن تتواصل مع بعضها البعض لمسافات تصل إلى ١٠٠ متر. وقد أظهرت القياسات أن المستشعر يمكنه توصيل قراءات درجة الحرارة والرطوبة، ومستويات كبريتيد الهيدروجين إلى مسافة كبيرة. ويمكن أن يساعد هذا الترابط على إنشاء خريطة لمساعدة فرق الاستجابة لحالات الطوارىء في حالة وقوع أي حادث بيئي معيّن.

ويرى البروفيسور شميم، الذي اكتسب خبرة كبيرة في مجال الإلكترونيات اللاسلكية، أن المنصات المركزية للمستشعر تعد جزءًا من تقنية إنترنت الأشياء (IoT). ويمكن تطويرها بحيث تساهم  تقنيات إنترنت الأشياء في عملية المراقبة والرصد البيئي في الوقت الحقيقي لمناطق كبيرة مما يضمن حياة أكثر أمنًا وصحة.



تتكون المنصة المركزية للمستشعر من حزمة وظيفية مصممة بطباعة ثلاثية الأبعاد ولوحة دوائر كهربائية ومكثف هواء.

والخطوة التالية في أبحاث الفريق الذكية بخصوص الاستشعار هي دمج مصدر للطاقة يمنح المنصة المركزية الاستدامة الذاتية في المواقع النائية. يقول البروفيسور شميم: "ما نريد القيام به هو الاستغناء عن تغيير البطاريات بصفة مستمرة. فنحن بحاجة إلى استمداد الطاقة من البيئة لشحن البطاريات في مواقعها من خلال مصادر متجددة. وأمامنا خطوة أخرى في المستقبل تتمثل في تصنيع المنصة المركزية للمستشعر بواسطة رقائق مخصصة قابلة للإنتاج بكميات كبيرة بدلاً من الاعتماد على لوحات الدوائر التجارية. وبهذا ستكون تكلفة كل المنصة استشعار مركزية أقل من دولار واحد".

ويأمل البروفيسور شميم أن تصبح التقنية التي ابتكرها فريقه جهازًا أساسيًا لمراقبة ورصد البيئة في المستقبل، يساعد على اتخاذ قرارات حاسمة وإيجابية لمدننا الذكية الحديثة.