ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เดวิส (University of California, Davis: UC Davis) สร้างต้นแบบเซนเซอร์ตรวจจับวัตถุขนาดเท่าเมล็ดงา แต่ว่ามีความสามารถในการตรวจจับตำแหน่งวัตถุที่เล็กกว่าเส้นผม 100 เท่า ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมเสนอข้อได้เปรียบสำคัญที่มีต้นทุนการผลิตถูกลงและกินไฟน้อย 

เซนเซอร์จิ๋วตัวใหม่ที่ขนาดเท่าเมล็ดงาแต่ว่าประสิทธิภาพไม่เล็ก 

เซนเซอร์ดังกล่าวนั้นเป็นเซนเซอร์แบบซีมอส (CMOS: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) ซึ่งเป็นวงจรไฟฟ้าแบบหนึ่งที่ผลิตจากซิลิกอนและอะลูมิเนียม นิยมใช้ทำเป็นวงจรในระบบคอมพิวเตอร์ ตลอดจนเซนเซอร์รับภาพในกล้องแบบดิจิทัล ซึ่งทางทีมวิจัยได้ออกแบบแผงวงจรดังกล่าวให้สามารถขึ้นรูปเป็นเซนเซอร์ขนาดเท่าเมล็ดงา ทำหน้าที่ตรวจจับแบบเรดาร์จากการใช้คลื่นที่เรียกว่า “คลื่นมิลลิเมตร” (Millimeter-wave) ในการตรวจหาวัตถุ

“คลื่นมิลลิเมตร” (Millimeter-wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) ที่มีความถี่คลื่นระหว่าง 30 - 300 กิกะเฮิร์ตซ์ (GHz) ซึ่งเป็นย่านเดียวกันกับที่ใช้ส่งสัญญาณเครือข่าย 5G และสามารถใช้เป็นเรดาร์ (Radar) หรือระบบตรวจจับวัตถุจากคลื่นสะท้อนในระยะสั้นได้ด้วยเช่นกัน เนื่องจากคลื่นเป็นคลื่นกำลังสูง ทำให้การสะท้อนคลื่นจากวัตถุที่กระทบกลับมานั้นสามารถคำนวณได้ทั้งตำแหน่งและขนาดวัตถุ ดังนั้น ทีมนักวิจัยจึงนำหลักการนี้มาทำเป็นเซนเซอร์ตรวจจับวัตถุได้สำเร็จ

เบื้องหลังความสำเร็จเซนเซอร์จิ๋วขนาดเท่าเมล็ดงา

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติแล้วคลื่นมิลลิเมตรนั้นไวต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมโดยรอบมาก แม้สัญญาณรบกวน (Background Noise) ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อน ๆ ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ก็มีผลกับคลื่นมิลลิเมตร ซึ่งส่งผลให้การทำเซนเซอร์ด้วยคลื่นมิลลิเมตรก่อนหน้านี้เกิดขึ้นได้ยาก เนื่องจากไม่มีวิธีเลือกอ่านค่าเฉพาะการเคลื่อนไหวที่ต้องการได้ อีกทั้งยังกินพลังงานไฟฟ้าในปริมาณที่ค่อนข้างสูง

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงให้ความสำคัญกับการออกแบบเซนเซอร์ เพื่อให้ตัวเซนเซอร์สามารถเลือกรับเฉพาะการเปลี่ยนแปลงจากวัตถุเป็นหลัก โดยไม่ถูกสัญญาณรบกวนในธรรมชาติมาทำให้การทำงานผิดเพี้ยน และเซนเซอร์ต้นแบบที่สร้างขึ้นมานั้นมีความละเอียดในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุ (Movement) แม้จะมีระยะที่เปลี่ยนไปน้อยกว่าเส้นผม 100 เท่า รวมถึงตรวจจับการสั่นไหว (Vibration) ที่มีคาบการสั่นเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมได้ถึง 1,000 เท่า โดยมีต้นทุนโดยรวมที่ต่ำลงกว่าเดิม แต่ไม่ได้ระบุว่าต่ำกว่าเท่าไหร่ และใช้กำลังไฟเพียง 100 มิลลิวัตต์ (mW) เท่านั้น

การใช้งานเซนเซอร์จิ๋วขนาดเท่าเมล็ดงา

โครงการดังกล่าวจะถูกนำไปใช้ในการเกษตรยุคใหม่ เช่น การลดต้นทุนในการติดตามสถานะของน้ำที่อยู่ในต้นไม้แต่ละต้น สามารถติดตามได้มากขึ้นในเวลาที่น้อยลง โดยการศึกษาและออกแบบในครั้งนี้ได้รับเงินทุนจากมูลนิธิเพื่อการวิจัยอาหารและการเกษตร หรือเอฟเอฟเออาร์ (Foundation for Food & Agriculture Research: FFAR) ที่มีสำนักงานใหญ่อยู่ในกรุงวอชิงตัน ดีซี ของสหรัฐอเมริกา รวมถึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระบบรักษาความปลอดภัย ตลอดจนการติดตามข้อมูลสุขภาพ หรือแม้แต่เป็นตัวช่วยสำหรับผู้ที่มีปัญหาด้านการมองเห็นอีกด้วย

ทั้งนี้ งานวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการไออีอีอีด้านวงจรโซลิด-สเตท (IEEE Journal of Solid-State Circuits) ในเดือนกันยายนที่ผ่านมา โดยนักวิจัยเชื่อว่าต้นแบบที่พิสูจน์หลักการ (Proof of Concept) นี้มีประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือเหนือกว่าเซนเซอร์ที่แม่นยำที่สุดในโลกในปัจจุบันอีกด้วย

ที่มาข้อมูล Interesting Engineering

ที่มารูปภาพ UC Davis