De l’oreille interne à un nouveau type de matrice de senseurs
Les senseurs électroniques, par exemple ceux de température ou de contrainte, interviennent dans nombre d’appareillages modernes. Ils sont souvent organisés en réseaux ou matrices couvrant une surface importante. La lecture des signaux venant d’un grand nombre de senseurs nécessite donc une grande quantité de fils ou pistes de connexion, d’où une complexité de câblage, une fragilité, un plus grand risque de pannes, un risque élevé d’interférences entre conducteurs et une limitation de la reconfiguration du système de senseurs.
Des chercheurs de la Hong Kong University of Science and Technology,Hong Kong, China, de la City University of Hong Kong, de la Shangai University, et de la Chengdu University, China ont conçu une matrice de senseurs à un seul conducteur de sortie, capable d’être disposée sur des surfaces courbes 3 D, tout en réduisant le mélange de signaux d’éléments voisins.
Les chercheurs se sont inspirés du fonctionnement de l’oreille interne humaine, en particulier du mécanisme appelé tonotopie : une représentation du spectre auditif est obtenue à partir du signal des cellules ciliées de la cochlée sensibles à la pression.
C’est un organe dont le rôle majeur est de transformer les signaux de pression auditive en signaux électriques (influx nerveux) avec indication de fréquence et d’amplitude.
Ils ont ainsi conçu une architecture de senseurs appelée TSM (de l’anglais tonotopy-inspired sensor matrix) qui, grâce à un conducteur de sortie unique, s’affranchit de la fragilité des matrices à multifils, mais en outre permet de rendre ces matrices reconfigurables, c’est-à-dire adaptables à des surfaces courbes diverses.
La TSM est composé d’éléments senseurs unités appelés TSU indexés de 1 à n et émettant chacun une onde sinusoïdale de fréquence unique ( f1 à fn) . Il existe une corrélation entre la quantité physique mesurée par un TSU et l’amplitude du signal sinusoÏdal qu’il émet. C’est à la fréquence de chaque signal auditif qu’est dû la place de son maximum en un point de la cochlée.
Les signaux sont donc répartis ( Fig. 1) selon leur fréquence de la base de la cochlée (hautes fréquence) à l’apex de celle-ci ( basses fréquences).
La somme des signaux de chaque TSU forme un seul signal composite dans le domaine temporel.
La figure 1. ci-dessous schématise le mécanisme de l’oreille interne et celui analogue d’une matrice de senseurs de contrainte d’une aile.
Fig.1. Mécanisme de la cochlée, principe des TSM
A) Tonotopie auditive chez l’être humain. La cochlée est représentée dépliée.
B) Application de ce mécanisme à la distribution des contraintes d’une aile d’avion pour la représentation de leurs mesures.
Tiré de One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy Zhihe Long1, Weikang Lin, Pengyu Li, Biao Wang, Qiqi Pan, Xiaodan Yang, Wang Wei Lee, Henry Shu-Hung Chung, Zhengbao Yang , Sciience Advances 9, eadi6633 (2023) 29 November 2023
CC BY NC
La vidéo suivante montre un système TSM appliqué à un modèle d’aile d’avion soumise à des contraintes :
 
Vidéo 1 Démonstration d’une mesure TSM de contraintes d’aile d’avion
Les coupures de fils illustrent la résistance aux défauts de continuité grâce à la redondance des circuits.
Tiré de One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy Zhihe Long1, Weikang Lin, Pengyu Li, Biao Wang, Qiqi Pan, Xiaodan Yang, Wang Wei Lee, Henry Shu-Hung Chung, Zhengbao Yang , Science Advances 9, eadi6633 (2023) 29 November 2023
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Le signal résultant de la somme des n TSU est transmis par un seul conducteur qui transporte ainsi l’information obtenue à partir de la matrice de senseurs.
On effectue alors, en temps réel, sur ce signal, une transformée de Fourier rapide (en anglais Fast Fourier transform, FFT). Celle-ci décompose le signal composite du domaine temporel pour construire une représentation du spectre de fréquence qui traduit l’information contenue dans tous les senseurs unités (TSU).
A la différence des matrices de tenseurs traditionnelles, la matrice TSM permet de traiter l’information de tous les senseurs en parallèle.
Les nombreux fils de sortie des matrices de senseur classique peuvent entraîner des interférences entre certains d’entre eux. Le système TSM permet de s’affranchir de ce phénomène.
La figure 2. ci-dessous schématise cette approche analogue à celle du système de transmission auditif tonotopique.
Fig.2 Câblage à un seul fil de sortie d’une plateforme TSM de mesure de pression A)Une matrice classique de senseurs de pression exige MxN ou M+N conducteurs de sortie du signal pour la connecter au dispositif décodeur.
B) Nouvelle matrice de senseurs n’exigeant plus qu’un seul conducteur de sortie du signal.
C) Schéma d’un ensemble de n éléments senseurs de pression à un seul fil de sortie les connectant au décodeur FFT.
D) Schéma illustrant un senseur unité (TSU) avec 4 fils sinueux. Ces 4 fils comprennent les conducteurs communs d’alimentations ,un fil conducteur du signal et la masse.
E) Un prototype de 5×5 éléments déformables TSU à films piézoélectriques.
F) Une plateforme TSM de 10×10 éléments unités non déformables de mesure de pression par films piézorésistifs.
Tiré de One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy Zhihe Long1, Weikang Lin, Pengyu Li, Biao Wang, Qiqi Pan, Xiaodan Yang, Wang Wei Lee, Henry Shu-Hung Chung, Zhengbao Yang , Science Advances 9, eadi6633 (2023) 29 November 2023
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En outre, des types variés de senseurs peuvent être incorporés dans la TSM puisque la fréquence émise par chaque site particulier permet de le repérer.
Ce système permet donc de mesurer plusieurs quantités physiques simultanément et il constitue une plateforme pour des applications multisensorielles dans divers domaines.
Dans le cas de l’oreille interne, les connections synaptiques entre une cellule ciliée donnée et les nombreux neurones du ganglion spiral entraînent une certaine redondance, ce qui assure une tolérance aux erreurs de transmission.
La plateforme TSM présente aussi une redondance grâce aux multiples connections entre chaque TSU et les autres puisque ils sont tous reliés à un seul conducteur transmettant le signal du domaine temporel.
La vidéo suivante illustre cela :
Vidéo 2 Démonstration d’un système TSM appliqué à une matrice déformable de 5×5 unités TSU sensibles à la pression
On voit qu’après de nombreuse coupures des conducteurs, le système fonctionne toujours, signe de la redondance du circuit adopté.
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Le système TSM présent donc de grands avantages :
diminution du nombre de fils et donc des interférences, possibilité d’adapter les senseurs à diverses formes et enfin tolérance aux coupures de conducteurs grâce à la redondance des circuits.
Pour en savoir plus :
One-wire reconfigurable and damage-tolerant sensor matrix inspired by the auditory tonotopy Zhihe Long, Weikang Lin, Pengyu Li, Biao Wang, Qiqi Pan, Xiaodan Yang, Wang Wei Lee, Henry Shu-Hung Chung, Zhengbao Yang, Science Advances 9, eadi6633 (2023) 29 November 2023
