Här är din uppgift. Bygg en liten sensor som upptäcker en signatur av infraröda (IR) våglängder som är karakteristiska för ett hett avgasrör, en vedeld, eller kanske till och med en människa. Designa sensorn så att den kan förbli vilande och obevakad men alltid alert, även i åratal, utan att dra på batteri. Och bygg sensorn så att själva detektionshandlingen kan initiera utsändningen av en signal som varnar krigskämpar, brandmän, eller andra att en "intressesignal" har upptäckts. Det är bara den sortens intelligens, spaning, och övervakningsteknik (ISR) som kan öka situationsmedvetenheten samtidigt som behovet av potentiellt farliga underhållsuppdrag för att ersätta uttjänta batterier minimeras.

Online idag i journalen Naturens nanoteknik , ett forskarlag vid Northeastern University, leds av el- och datateknik docent Matteo Rinaldi, rapporterar att de drar igång den här höga ordern av DARPA:s Near Zero Power RF och Sensor Operation (N-ZERO) program med en enhet som Boston-teamet refererar till som en "plasmoniskt förbättrad mikromekanisk fotoswitch."

"Det som verkligen är intressant med Northeastern IR-sensorteknologin är att till skillnad från konventionella sensorer, den förbrukar noll standby-ström när de IR-våglängder som ska detekteras inte finns, sa Troy Olsson, chef för N-ZERO-programmet i DARPAs Microsystems Technology Office. "När dessa IR-våglängder är närvarande och träffar det nordöstra lagets IR-sensor, energin från IR-källan värmer upp avkänningselementen som, i tur och ordning, orsakar fysisk rörelse av nyckelsensorkomponenter. Dessa rörelser resulterar i mekanisk stängning av annars öppna kretselement, vilket leder till signaler om att mål-IR-signaturen har detekterats."

Sensorn är en uppvisning av smart fysik och ingenjörskonst, inklusive ett rutnät av fläckar i nanoskala vars specifika dimensioner begränsar dem till att endast absorbera särskilda IR-våglängder. "De laddningsbaserade excitationerna, kallas plasmoner (som kan ses ungefär som krusningar på vattenytan), är mycket lokaliserade under fläckarna i nanoskala och fångar effektivt in specifika våglängder av ljus i den ultratunna strukturen, inducerar en relativt stor och snabb temperaturökning, " förklarade Rinaldi. Dessa temperaturspikar, i tur och ordning, leda till en uppströms sekvens av händelser som kulminerar i kretsfullbordande deformationer av andra delar av sensorn.

"Tekniken har flera avkänningselement - var och en inställd för att absorbera en specifik IR-våglängd, ", noterade Olsson. "Tillsammans, dessa kombineras till komplexa logiska kretsar som kan analysera IR-spektrum, vilket öppnar vägen för dessa sensorer att inte bara upptäcka IR-energi i miljön utan att specificera om den energin härrör från en brand, fordon, person eller någon annan IR-källa."

Tänk på identifieringen av fordon utifrån deras IR-utsläpp. Motorer som förbränner bensin eller diesel släpper ut specifika föreningar i sina avgaser. Bland dessa föreningar finns CO2, CO, H2O, olika oxider av kväve och svavel (NOx och SOx, respektive), och kolväten såsom metan. "Som ett resultat, de infraröda emissionsspektra från de uppvärmda avgaser som kommer ut från fordon som lastbilar, bilar eller flygplan kan i sig själva fungera som en signatur som är specifik för en fordonstyp, " förklarade Zhenyun Qian, som har arbetat med Rinaldi och andra forskargruppsmedlemmar på N-ZERO-programmet.

Ett primärt mål för N-ZERO-programmet är att utveckla grundläggande teknologier som öppnar vägen för nya och mer kapabla sensorsystem som är relevanta för nationell säkerhet. NU-laget påpekar i sin Naturens nanoteknik uppsats att samma teknik kan bli viktig under de kommande åren när Internet of Things expanderar till att omfatta hundratals miljarder enheter, allt från bilar, till apparater, till fjärrutplacerade sensorer. "Förmågan att förbruka ström endast när användbar information finns kommer att resultera i nästan obegränsad drifttid för obevakade sensorer som används för att upptäcka sällsynta men tidskritiska händelser, med en banbrytande inverkan på spridningen av Internet of Things, ", förutspår forskarna i nordöstra delen av sitt arbete.