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Guardian Angels : un projet européen sur les capteurs du futur

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Par publié le à 14h19

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Consortium de recherche réunissant 28 partenaires européens, Guardian Angels développe de nouvelles générations de capteurs pour la surveillance de l’environnement et de la santé. Mais pour démocratiser des capteurs miniaturisés et auto-alimentés, des progrès drastiques restent à effectuer en matière de récupération d’énergie ou d’intégration électronique.

 

Hurlement du réveil. Il est sept heures, ce 06 février 2040. Vous vous arrachez à votre lit et enfilez vos vêtements. En un clin d’œil, les fibres du textile effectuent un diagnostic de santé : pouls, température corporelle, taux de sucre. Bon à savoir –spécialement si votre santé n’a plus la constance vos jeunes années, ou si vous souffrez d’une maladie chronique. Sur le trajet jusqu’au travail, votre voiture ''scrute'' sur votre visage des signes d’endormissement pour prévenir tout accident. Vous préférez marcher ? Quelques capteurs, disséminés dans votre accoutrement et dans la rue, évaluent la qualité de l’air, et transmettent sur votre téléphone une cartographie de la pollution. 

Ce quotidien relève-t-il de la pure science fiction ? A discuter avec les membres du consortium de recherche européen "Guardian Angels for a smarter life", on en douterait presque. Ses vingt huit partenaires, composés à parts égales entre organisme de recherche publics, instituts européens et laboratoires industriels, veulent produire des capteurs miniatures, intégrables sur tout type de support, et capables de s’auto-alimenter à partir de l’énergie environnante. Niveau applications, la surveillance de divers paramètres liés à la santé et à l’environnement est en première ligne.

Objectifs ambitieux

Des capteurs de ce type - autonomes et sans fil - commencent déjà à apparaître. Mais ils monitorent des procédés industriels isolés, où la difficulté d’accès induit des coûts d’entretien excessifs. Pour sortir de ces marchés de niches et conquérir le quotidien du grand public, chaque brique technologique de ces capteurs devra subir une métamorphose radicale : récupérateurs d’énergie photovoltaïques ou thermoélectriques, gestion de très bas niveaux d’énergie (Ultra Low Power), protocoles de communication sans fil. Et s'abaisser à des coûts compatibles avec un déploiement massif.

« Les objectifs que l’on se fixe sont extrêmement ambitieux », reconnaît Mihai Adrian Ionescu, directeur l’école doctorale en microsystèmes et microélectronique à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et coordinateur du programme. « Par rapport aux systèmes actuels, cela veut dire diviser la consommation énergétique des circuits électroniques d’un facteur 1 000 et multiplier la récupération d’énergie par 100. Imaginez qu’au lieu de recharger votre téléphone tous les deux jours, vous le rechargiez 2 fois l’an. Ou que votre voiture qui consomme cinq litres au cent n’en consomme plus que … cinq millilitres ». 

Rupture technologique

Une telle évolution implique de véritables ruptures technologiques. Côté récupération d’énergie à petites échelles, une discipline aussi appelée Energy Harvesting, l’EPFL travaille par exemple sur des cellules solaires à colorant, dites ''de Graetzel''. La fabrication de cette technologie photovoltaïque souple, à partir de procédés d’impression classique, s’avérerait bien moins coûteuse que les technologies actuelles. Sont également à l’étude des récupérateurs thermoélectriques ou piézoélectriques, capables de convertir respectivement un différentiel de chaleur ou des vibrations en courant électrique. ST Microélectronics cherche par exemple à s’affranchir des matériaux thermoélectriques classiques à base de tellure, un métal rare. Les partenaires planchent également sur des batteries souples, plates, pour stocker durablement de faibles quantités d’énergie. Le spécialiste français des composants de micro-électronique s’est ainsi fait une spécialité du développement de ces micro-batteries en couche mince.

Du côté de l’électronique, le ratio taille/performance sera le grand cheval de bataille. Le processeur silicium CMOS, développé par Intel et IBM, impliqués dans le projet, présenterait un fort potentiel d’optimisation. La recherche sur des fils électriques d’échelle nanométrique, menée par IBM, pourrait s’enrichir des travaux de l’EPFL, du CEA-Leti ou de l’Institut belge IMEC sur les transistors à effet tunnel. La conception de ces composants diffère radicalement des paradigmes établis jusqu’alors en micro-électronique car elle repose sur des principes de physique quantique. Cette physique quantique est également à l’œuvre dans la spintronique, hypothétique eldorado de la miniaturisation en gestation dans les laboratoires du CNRS et de Thalès.

Pour optimiser l’intégration des matériaux, les partenaires envisagent, entre autres solutions, de recourir à moyen terme au stacking 3D. Dans cette architecture, perfectionnée notamment par Infineon, les éléments sont empilés les uns sur les autres plutôt que juxtaposés. Enfin, la couche logicielle et les protocoles de communication seront également au régime énergétique sec, avec le concours de l’Institut de recherche en sciences du numérique INRIA.

Innombrables applications

Des industriels français sont engagés au côté de ces acteurs pour prospecter le terrain applicatif. Ainsi, PSA Peugeot Citroën envisage à moyen terme la surveillance physiologique du conducteur. « C’est une des premières applications auxquelles on pense », confirme Sylvain Allano, directeur scientifique du groupe. Et de poursuivre : « comme les capteurs se multiplient dans l’automobile, ces systèmes communicants permettraient aussi de s’affranchir en partie des réseaux de câbles et de simplifier les ensembles. » De son côté, Sanofi s’intéressera à la définition de besoins pour les technologies de la santé.

Guardian Angels fait partie des six consortiums en lice pour décrocher les subventions FET Flagship. Ce programme lancé par la commission européenne vise à stimuler des projets de recherche associant laboratoires publics et industriels sur les technologies émergentes. L’enjeu est de taille : les heureux élus se verront attribuer, à compter du début 2013, une subvention annuelle de 100 millions d’euros pendant 10 ans. 

Hugo Leroux

Pour en savoir plus : http://www.ga-project.eu/ga_project

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