Escargots, capteurs et poussière intelligente : le Michigan Micro Mote

Si vous voulez suivre un escargot, vous avez besoin d’un petit ensemble d’instruments. Comment créer un système d’acquisition de données complet, comprenant des capteurs, de la mémoire, un traitement de données et une alimentation, suffisamment petit pour tenir sur une coquille d’escargot ?

Tout au long de l’histoire, les humains ont bouleversé de nombreux écosystèmes à travers le monde en introduisant des espèces envahissantes. Les lapins d’Australie en sont un exemple célèbre, mais peut-être moins connus sont les escargots géants d’Afrique (Lissachatina fulica) qui ont été introduits dans les îles du Pacifique Sud au milieu du 20e siècle. Conçu à l’origine comme source de nourriture (escargot africain, quelqu’un ?), ils se sont rapidement révélés être d’horribles ravageurs, dévorant aussi bien les plantes locales que les cultures agricoles.

Pour ne pas se laisser décourager, les biologistes ont introduit un autre escargot, dans l’espoir de tuer les Africains : le Rosy Wolfsnail (Euglandine rosea), originaire du sud-est des États-Unis. Cet escargot prédateur n’a cependant pas montré un grand intérêt pour les intrus africains et a plutôt décimé la population d’escargots indigènes, entraînant l’extinction de dizaines d’espèces locales.

Un escargot avec un capteur solaire attaché à sa coquille
Un Rosy Wolfsnail portant un Micro Mote détectant la lumière sur son dos. Source : Cindy S. Bick et al., 2021

Celui qui a réussi à survivre à l’assaut est un petit escargot blanc appelé Partula hyalina. Confiné aux abords des forêts tropicales de Tahiti, les biologistes ont émis l’hypothèse qu’il était capable d’éviter les prédateurs en se cachant dans des endroits ensoleillés trop lumineux pour E. rosea. Les coquilles d’un blanc laiteux P. hyalina les protégeaient soi-disant de la surchauffe en réfléchissant plus la lumière du soleil que celles brun orangé des escargots loups.

Cela semble raisonnable, mais les biologistes ont besoin de preuves. Une équipe de l’Université du Michigan a donc mis en place une expérience pour mesurer la quantité de rayonnement solaire subie par les deux types d’escargots. Ils ont attaché de minuscules capteurs de lumière aux coquilles des escargots loups, puis les ont relâchés. Les capteurs ont mesuré la quantité de lumière solaire vue par les animaux et ont enregistré ces informations pendant une journée complète. Les escargots ont ensuite été capturés à nouveau et les données récupérées, et les résultats ont prouvé l’hypothèse originale.

Tant pis pour la science, mais comment ont-ils réussi cela exactement ?

Le Michigan Micro Mote (M3)

L’équipe de recherche sur les circuits de faible puissance de l’Université du Michigan, dirigée par David Blaauw, a développé un ordinateur ultra-miniaturisé qu’ils ont surnommé le Michigan Micro Mote. Le terme « mote » fait référence à un nœud de capteur sans fil qui peut mesurer une certaine quantité et rapporter ses résultats à un système informatique plus important. De minuscules particules comme celle-ci sont parfois appelées «poussière intelligente», un terme qui a connu un certain battage au début des années 2000, mais n’a heureusement pas encore été à la hauteur de certaines des visions les plus apocalyptiques.

Une pile de matrices IC formant un Micro Mote
Un Micro Mote avec un capteur de température. Source : Cindy S. Bick et al., 2021

Pas beaucoup plus gros qu’un grain de riz, le M3 a été surnommé le plus petit ordinateur du monde. Mesurant environ 2 mm x 2 mm x 3 mm, il se compose de plusieurs jetons nus empilés les uns sur les autres. Ensemble, ils forment un nœud de capteur sans fil complet. Alimentés par une batterie et une cellule solaire, ils peuvent mesurer quelque chose, stocker les résultats dans la RAM et envoyer les résultats à l’aide d’une liaison de communication sans fil.

Le fil conducteur reliant la conception de chacun de ces éléments est la faible puissance. Et par bas, nous entendons vraiment bas : la puissance active est au niveau du microwatt ou du nanowatt, tandis que la puissance en veille est mesurée en picowatts. Une telle consommation d’énergie extrêmement faible est nécessaire car très peu d’énergie peut être générée et stockée dans le volume limité disponible.

Capteurs

La couche supérieure du Mote est un capteur. L’équipe Micro Mote a développé des capteurs de température et de pression ainsi qu’un capteur d’image. Le capteur de température est un capteur ultra-faible puissance qui peut mesurer entre zéro et 100 °C, avec une précision d’environ 1,5 °C, en utilisant seulement 71 nW. Le capteur de pression est un appareil MEMS conçu pour mesurer les pressions à l’intérieur du corps humain. Une telle mesure peut être utile pour diagnostiquer le glaucome (lorsqu’il est intégré dans un œil) ou pour suivre l’efficacité de la chimiothérapie lorsqu’il est inséré dans une tumeur.

Un Micro Mote à détection d'images
Un Micro Mote avec un capteur d’image. Crédit : Génie électrique et informatique à l’Université du Michigan, Ann Arbor

Quant au capteur d’image, ceux qui recherchent de la vidéo HD full motion seront déçus : un capteur monochrome de 160 x 160 pixels est tout ce qui rentre dans les contraintes de volume et de puissance. Une lentille tige à gradient d’indice est montée sur le dessus du capteur pour focaliser l’image. Le capteur peut fonctionner dans un mode basse consommation dans lequel il effectue une détection de mouvement en scannant une image à très basse résolution, ne prenant une photo en pleine résolution qu’en cas de mouvement important.

L’étude sur les escargots a en fait utilisé des Micro Motes avec un capteur de température et a intelligemment utilisé la cellule solaire, décrite ci-dessous, à la fois pour la détection de la lumière et la production d’électricité, éliminant ainsi le besoin d’un capteur de lumière dédié gourmand en énergie.

Traitement de l’information

schéma montrant les composants d'un Micro Mote
Un schéma montrant les composants du Micro Mote d’imagerie. Source : Gyouho Kim et al., 2014

Le cœur des opérations du Mote est formé par une paire de microprocesseurs. Les deux sont des ARM Cortex-M0, mais chacun est fabriqué selon un processus de fabrication différent pour fournir des performances élevées ou une puissance extrêmement faible. Le processeur à plus grande vitesse est nécessaire pour des tâches telles que le traitement des données du capteur d’image, tandis que le processeur à faible consommation effectue des tâches d’entretien général telles que la coordination du flux de données entre les différentes puces.

L’interface entre les processeurs et le reste du système devait naturellement également être ultra-faible consommation. Bus standards comme SPI et I2C étaient beaucoup trop avides de pouvoir; l’équipe de recherche a donc développé un nouveau bus nommé MBus. Destiné aux nanosystèmes intégrés, il est capable de fonctionner avec des sous-systèmes en mode veille ou complètement éteints.

Communication

La taille minuscule du Mote signifie qu’il n’y a pas de connecteurs disponibles pour entrer ou sortir des données, donc toutes les communications doivent être effectuées sans fil. Deux interfaces sont disponibles pour cela : un chemin optique pour la programmation du système et une liaison radio pour la sortie des données.

Une configuration de test avec une lampe brillant sur une puce
Programmation du Mote avec lumière. Notez comment ce Mote a été emballé dans un package IC standard pour les tests. Crédit : Génie électrique et informatique à l’Université du Michigan, Ann Arbor

Le chemin optique utilise des photodiodes qui sont stratégiquement placées près des plots de connexion afin qu’elles soient exposées à la lumière ambiante. En leur faisant clignoter une lumière selon un motif spécifique, la CPU entre en mode de programmation, permettant à l’utilisateur d’écrire dans la mémoire de code principale.

Les données du capteur peuvent être lues à nouveau à l’aide d’une radio à faible puissance : l’utilisateur tient un récepteur près du Mote pour lire toutes les données stockées dans sa mémoire. Transmettant dans la bande ISM 915 MHz, la radio a une portée d’environ deux mètres, bien que le Dr Blaauw indique que le plan est de l’augmenter à 20 mètres. Cette plus grande portée permettrait également à plusieurs motes de communiquer les uns avec les autres, ce qui permettrait des réseaux de capteurs autonomes complets. Le budget de puissance limité et les contraintes physiques sur l’antenne en font cependant un véritable défi.

Puissance

Le Mighty Mote est alimenté par une batterie au lithium, encore une fois miniaturisée pour s’adapter à la pile de puces. Sa capacité est un minuscule 5,7 uAh (pour la version à détection d’images) ou 2 uAh (pour les deux autres versions). C’est environ un millionième de la taille de la batterie moyenne d’un smartphone, mais permet toujours au Mote de fonctionner pendant un jour ou deux. Cependant, cela peut être prolongé indéfiniment grâce à la cellule solaire qui forme la couche inférieure de la pile. Cette cellule a une superficie d’environ un millimètre carré et génère environ 20 nW, selon la quantité de lumière.

Une unité de gestion de l’alimentation (PMU) génère les tensions d’alimentation appropriées (1,2 V et 0,6 V) pour les différentes puces à partir des 3,8 V de la batterie. Elle gère également le fonctionnement de la cellule solaire, en suivant son point de puissance maximum pour extraire autant d’énergie que possible. possible. Toutes les puces incluent également des quantités généreuses de capacité de découplage sur puce, car le Mote est beaucoup trop petit pour brancher même le plus petit des condensateurs SMD.

Dans l’étude sur les escargots de Tahiti, les signaux de contrôle du PMU ont été intelligemment utilisés pour lire le rayonnement solaire incident. Comme la quantité de lumière fluctue, la fréquence de la pompe de charge interne fluctue également, et en enregistrant cette valeur, les chercheurs ont obtenu une mesure précise du rayonnement solaire sans avoir à ajouter un capteur de lumière séparé.

Emballage

Comme mentionné ci-dessus, un système complet est fabriqué à partir de ces pièces en empilant simplement les puces à la manière d’un escalier et en les câblant avec des fils de liaison en or, ce qui est fondamentalement de la même manière que les modules multi-puces (MCM) ordinaires sont fabriqués. Le panneau solaire est en bas, avec les capteurs situés en haut. L’ensemble est ensuite encapsulé dans de l’époxy, avec des sections transparentes si nécessaire.

La conception exacte de l’emballage dépend de l’application finale du Mote. Pour l’étude sur les escargots, les puces étaient simplement encapsulées dans de l’époxy noir avec une fenêtre pour la cellule solaire, puis collées sur un boulon qui pouvait être vissé dans un écrou sur la coquille de l’escargot. Les grains qui seront implantés dans les yeux ou les tumeurs auront besoin d’un boîtier biocompatible, tandis que ceux destinés à fonctionner dans des environnements plus difficiles peuvent nécessiter un boîtier plus solide.

Applications

Au début de son développement, le Micro Mote était destiné à des applications médicales telles que la mesure de la pression à l’intérieur des yeux ou des tumeurs. Une conception similaire a également été développée qui pourrait être injectée dans le corps. Peu de choses ont été publiées sur les applications médicales du Mote depuis environ 2016, mais nous imaginons que ce n’est pas faute d’opportunités, car cela devrait faciliter le développement de choses comme les pilules intelligentes.

L’étude sur les escargots de Tahiti est un excellent exemple d’utilisation de nœuds de capteurs sans fil dans les efforts de conservation. L’équipe de recherche travaille déjà sur une autre étude impliquant des papillons monarques, qui nécessite encore plus de miniaturisation pour adapter les appareils aux corps tendres des monarques.

La version avec capteur d’image a des applications potentielles dans la sécurité et la surveillance. Une caméra autonome sans fil de la taille d’un grain de riz peut facilement être cachée presque n’importe où. Cependant, la portée limitée de la radio empêche toujours à distance observation.

Une société appelée Cubeworks, une spin-off du groupe de recherche de David Blaauw, commercialise la technologie en fabriquant de petits capteurs sans fil pour des applications dans la logistique et les produits pharmaceutiques, telles que l’enregistrement de la température d’un produit chimique pendant son transport. Cela peut aider à garantir que les produits de grande valeur tels que les vaccins ont été correctement réfrigérés tout au long de leur trajet de l’usine à la clinique.

Dans l’ensemble, le Michigan Micro Mote est un excellent exemple de la façon de construire des systèmes électroniques dans un espace extrêmement confiné et avec un budget d’alimentation encore plus petit. Bien qu’elles ne soient pas exactement à la portée de l’amateur moyen, les idées de base peuvent être reproduites dans un plus grand volume à l’aide de composants disponibles dans le commerce. Les escargots sont peut-être un peu trop petits pour travailler avec, mais je pense déjà à tous les capteurs que je pourrais attacher au collier de mon chat. Quelque chose de plus qu’un simple appareil photo, bien sûr.

[Heading image: a Michigan Micro Mote sitting on the edge of a coin. Credit: Martin Vloet, University of Michigan]