Récupération d'Energie Biomécanique et Systèmes Autonomes

National audienceLa récupération d'énergie (Energy Harvesting) est une thématique en plein essor visant à utiliser l'énergie ambiante (lumière, vibrations, gradients thermiques) présente dans l'environnement direct de dispositifs électroniques (capteurs, équipements mobiles) pour les alimenter, de façon à prolonger leur durée de fonctionnement, voire à les rendre totalement autonomes. La récupération d'énergie est généralement mise en œuvre pour alimenter de petits systèmes électroniques tels que des capteurs autonomes communicants pour le transport, l'industrie ou l'habitat du fait des puissances récupérées assez faibles; appliquée au cas de l'Homme, la récupération d'énergie peut atteindre des puissances de plusieurs milliwatts voire de plusieurs watts permettant d'alimenter des systèmes plus complexes tels que des lecteurs MP3, des téléphones portables ou des systèmes de localisation GPS. De nombreuses sources d'énergie présentes dans l'environnement de l'Homme peuvent être exploitées: le soleil, le gradient thermique entre la peau et l'extérieur, la déformation des vêtements, les contraintes dans les chaussures... . Cet article se focalise plus particulièrement sur la récupération d'énergie mécanique issue du corps humain et présente des exemples de dispositifs et d'applications issus de l'état de l'art montrant que la récupération d'énergie est déjà une réalité; et qu'elle permettra sur le plus long terme d'alimenter des dispositifs placés directement à l'intérieur du corps humain tels que des implants médicaux ou des pacemakers

Development of a friction modulation haptic interface based on thin-film AlN actuators

International audienceToday, many applications operate using tactile interfaces. In particular, smartphones and touch-sensitive tabletscan be enhanced with haptic interfaces that immerses the user even more fully. Haptic effects are already in use, but withlimited feedback such as that from a simple vibrator. Among the different haptic solutions, squeeze-film effect is one of the most promising ones. Thus, our choice is to implement the squeeze-film effect, which consists inmodifying the friction between the finger and a rigid surface [1, 2]. By modulating this effect, it is possible to create a wide range of textural sensations. Our system is based on a glass plate with thin-film aluminum nitride (AlN) piezoelectric actuators [3]. We present in this paper a transparent glass plate applying the squeeze-film effect, driven by thin-film piezoelectric actuators at its ultrasonic resonant frequency. This article reports on the Finite Element Modeling (FEM) of the system and its characterization with the aim of turning it into a haptic demonstrator

Development, realization and validation of a piezoelectric flexible haptic interface

International audienceThis paper reports the development, realization and experimental validation of the first flexible haptic interface using friction modulation principle. This conformable haptic interface is composed of nine rigid haptic pixels formed with PZT ceramics bonded to square glass plates integrated on a KAPTON polyimide film. The design is optimized analyzing the flexural waves at the surface. An innovative hybrid process in cleanroom enables to obtain haptic resonators vibrating at ultrasonic frequencies, and creating displacements of 4 µm peak-to-peak for an actuation signal of 20 V peak-to-peak. Thanks to a dedicated actuation electronics based on an FPGA board, a haptic effect by friction modulation allowing to create virtual texture is obtained on this flexible haptic interface

Vers une détection automatisée des comportements délétères des porcs en élevage

Aggressive behaviours harm the health and welfare of pigs, and in turn negatively affect the productivity of farms. INRA and CEA are collaborating in the European project PIGWATCH (ERANET Anihwa) to develop an automatic system to detect harmful behaviours such as fighting. The system is based on sensors and algorithms of artificial intelligence. In this study, the system (developed by CEA-LETI) included a triaxial accelerometer and was fixed on the ears of the pigs. It was connected to an Android application, enabling data to be transferred to a smartphone via Bluetooth. Twelve pigs were fitted with the system. Their activity was recorded regularly with a video camera for two months. Pig behaviours, especially fighting, were scored from about 24 hours of recordings. Signals from the sensors were marked as a function of the behaviours observed. Mathematical characteristics of the data that differed according to the behaviours displayed at the time were extracted. We then developed an algorithm using these characteristics to detect behaviours automatically. Currently, the algorithm can detect aggressive behaviours with a sensitivity of 41% and a specificity of 87%. An improvement is expected by increasing the data basis. Preliminary analyses of variations during the day in behavioural activities obtained from predictions of the system show typical variations in agreement with preceding studies, with high levels of activity in the early morning and afternoon. These results are encouraging for the potential of the system to automatically record behaviours on farms.Les comportements agressifs sont délétères et affectent la santé et le bien-être des porcs ainsi que la productivité des élevages. Dans le cadre du projet européen PIGWATCH (ERANET Anihwa), l’INRA et le CEA travaillent au développement d’une technique automatisée, basée sur des capteurs et des algorithmes d’intelligence artificielle, pour détecter les comportements délétères de type bagarres. Le CEA-LETI a développé un dispositif porté à l’oreille incluant un accéléromètre triaxial. Le dispositif est connecté à une application Android pour l’acquisition des données sur un smartphone via une communication Bluetooth basse consommation. Douze porcs ont été équipés avec ce dispositif. Leur activité a été enregistrée et observée par caméra, à intervalles réguliers, durant 2 mois. Les comportements et notamment les bagarres ont été identifiés à partir d’environ 24 heures d’enregistrements vidéo et les signaux issus des capteurs ont été marqués en accord avec ces observations. Les caractéristiques mathématiques pertinentes des signaux pour discriminer les comportements observés ont été extraites. Dans une seconde étape, ces caractéristiques ont été utilisées dans des algorithmes pour détecter automatiquement les comportements. Actuellement, l’algorithme est capable de détecter les agressions avec une sensibilité de 41% et une spécificité de 87%. Des progrès sont attendus en augmentant la base de données. L’analyse préliminaire des variations dans la journée de l’activité comportementale à partir des prédictions de l’algorithme révèle des variations qui rejoignent les études précédentes avec des pics d’activité en début de matinée et d’après-midi. Ces résultats sont très encourageants quant à la validation du système et son utilisation future pour l’enregistrement automatique des comportements en élevage

Design, Simulations and Tests of a Novel Force and Moments Sensor for Instrumented Knee Implants

International audienceObjectives: Identifying mechanical complications of total knee arthroplasties is of great importance to reduce revision surgeries. There is therefore a critical need to use smart knee implants during intra or postoperative phases. Nevertheless, these devices are absent from commercialized orthopaedic implants, mainly due to their manufacturing complexity. We report the design, simulations and tests of a force and moments sensor integrated inside the tibial tray of a knee implant. Methods: By means of a tray-pillar-membrane arrangement, straingauges and metal additive technology, our device facilitates the manufacturing and assembly steps of the complete system. We used finite element simulations to design andoptimize the sensor and we compared the simulation results to mechanical measurements performed on a real instrumented tibial tray. Results: With a low power acquisitionelectronics, the measurements corroborate with simulations for low vertical input forces. Additionally, we performed ISO fatigue testings and high force measurements, with a good agreement compared to simulations but high nonlinearities for positions far from the tray centre. In order to estimate the center of pressure coordinates andthe normal force applied on the tray, we also implemented a small-size artificial neural network. Conclusion: This work proves that relevant mechanical components acting on atibial tray of a knee implant can be measured in an easy to assemble, leak-proof and mechanically robust design while offering relevant data usable by clinicians duringthe surgical or rehabilitation procedures. Significance: This work contributes to increase the technological readiness of smart orthopaedic implants

Hybrid PMUT realized using an innovative Piezo-in-flex technology

International audiencePiezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) are promising components that could address many applications such as gesture recognition [1], haptic interfaces [2] and biomedical applications [3]. pMUTs are generally built using the microelectronic technologies and tools on silicon wafers to allow miniaturization, cMOS co-integration and high performances. Nevertheless, the technological realization can be time consuming, and the silicon material and processes are not always necessary for low frequency applications. In this paper, we report the study of a hybrid pMUT built using an innovative Piezo-in-flex technology based on the integration of piezoceramic actuators on a polymer material. This component could be used to make conformable or curved pMUT array