Geavanceerde sensortechnologieën maken gepersonaliseerde monitoring van de luchtkwaliteit mogelijk

Het is overal om ons heen, maar tenzij er een probleem is, houden we ons meestal niet bezig met wat zich in de lucht bevindt die we inademen. In zowel binnen- als buitenomgevingen kan een slechte luchtkwaliteit een grote invloed hebben op onze gezondheid en ons welzijn. Twee belangrijke indicatoren voor het meten van luchtverontreiniging zijn fijnstof (PM) van 2,5 µm (micron) of minder (PM2,5) en vluchtige organische stoffen (VOS). Ze worden bijvoorbeeld in huishoudens uitgestoten door open haarden en kaarsen tijdens verbrandingsprocessen. Ook alledaagse voorwerpen zoals schoonmaakspullen, meubels of textiel kunnen VOS uitstoten. Dit artikel geeft inzicht in nieuwe PM2,5- en VOS-detectietechnologieën die persoonlijke monitoring van de luchtkwaliteit mogelijk maken om de gezondheid en het welzijn van mensen te verbeteren.

Persoonlijke PM2.5-bewaking

We weten dat blootstelling aan fijnstof ernstige gezondheidsproblemen kan veroorzaken, en de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) zegt:"Door de luchtvervuiling te verminderen, kunnen landen de ziektelast verminderen van beroertes, hartaandoeningen, longkanker en zowel chronische als acute aandoeningen van de luchtwegen, waaronder astma.” ¹

Hoewel fijnstof in een breed scala van deeltjesgroottes voorkomt, is de grootste impact op de menselijke gezondheid van deeltjes in het PM2,5-bereik, ² die kleiner zijn dan 2,5 µm in diameter. Deze minuscule PM2.5-deeltjes kunnen gemakkelijk diep in de longen doordringen en ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken. Hoewel het onderzoek nog steeds aan de gang is, zijn er aanwijzingen dat blootstelling aan PM2.5 kan worden gekoppeld aan gevoeligheid voor virale ziekten, waaronder SARS-CoV-2, zoals besproken in een recent onderzoek van Harvard University. ³

Officiële meetstations voor luchtkwaliteit bieden alleen geconsolideerde of gemiddelde gegevens voor de buitenomgeving zonder de bijbehorende gegevens over de binnenlucht. Ze genereren geen gepersonaliseerde informatie en meten alleen de luchtkwaliteit in hun directe omgeving die wordt uitgemiddeld over een tijdsperiode, en ze missen dus realtime informatie voor het volgen van de snel veranderende omgeving om ons heen en voor het bewaken van de fluctuaties in lokale PM-niveaus.

Een draagbaar meetapparaat voor de luchtkwaliteit of dosimeter voor het meten van luchtverontreiniging - bijvoorbeeld in onze smartphones of wearables - zou dit probleem kunnen oplossen. Tot nu toe waren PM2.5-sensoren simpelweg te groot voor mobiele apparaten. Bosch Sensortec heeft onlangs een sensortechnologie ontwikkeld die het monitoren van persoonlijke blootstelling aan luchtvervuiling nu een haalbare realiteit kan maken.

Met de nieuwe Bosch PM2.5-technologie is het nu mogelijk om PM2.5-detectie te integreren in mobiele apparaten voor het meten van de dagelijkse blootstelling van een persoon aan PM. De gebruiker kan gegevens en trends zien over de lokale vervuilingsniveaus waaraan hij wordt blootgesteld. Door de persoonlijke blootstelling aan luchtvervuiling te monitoren (bijv. met de smartphone) kunnen gebruikers betrouwbare en transparante informatie krijgen, waardoor ze actie kunnen ondernemen en hun blootstelling aan PM2,5 kunnen minimaliseren volgens de WHO-richtlijnen voor luchtkwaliteit. ⁴ Dit kan helpen om de gezondheid en het welzijn van mensen te verbeteren.

Bijvoorbeeld Figuur 1 toont een PM2.5 Dosimeter-demonstratie-app die is gemaakt in samenwerking met het bedrijf BreezoMeter. De Dosimeter-app berekent de persoonlijke dagelijkse PM-blootstelling door de lokaal gemeten PM-gegevens te combineren met de Bosch PM 2.5-sensortechnologie en BreezoMeter-luchtvervuilingsgegevens.

Figuur 1:Dosimeter voor deeltjesmeting

Technologie voor kleine deeltjessensor

Conventionele optische PM-sensoren voor consumenten vertrouwen op een ingebouwde ventilator om lucht door een cel te trekken, waar het aantal deeltjes wordt geregistreerd en de concentratie per volume-eenheid wordt berekend. Het probleem met deze benadering is de pure fysieke grootte van een dergelijke sensor, meestal ongeveer de grootte van een luciferdoosje, waardoor het onpraktisch is voor gebruik in een plat draagbaar apparaat zoals een smartphone.

De unieke PM-sensortechnologie die onlangs door Bosch Sensortec is ontwikkeld, heeft alleen een natuurlijke luchtstroom nodig om te functioneren. Het is gebaseerd op een camera-achtig principe, waarbij drie oogveilige lasers van klasse 1 achter een glazen afdekking zijn geïntegreerd, vergelijkbaar met de camera's in een smartphone.

Deze nieuwe benadering stelt Bosch Sensortec in staat een PM-detectieoplossing te ontwikkelen met aanzienlijk kleinere fysieke afmetingen, die ongeveer een vijfhonderdste (0,2%) van het volume van andere oplossingen op de markt inneemt. Deze verkleining tot de grootte van een luciferkop maakt deze nieuwe technologie ideaal voor persoonlijke PM2,5-metingen in consumentenapparatuur. Het heeft een laag stroomverbruik, is onderhoudsvrij en kan worden geïntegreerd in een waterdichte toepassing.

VOC's detecteren

Een andere bron van zorg in de lucht zijn vluchtige organische stoffen (VOS), een vrij grote groep chemisch reactieve gassen die in elke kamer kan voorkomen. Aangezien mensen doorgaans 90% van hun leven binnenshuis doorbrengen, kan de concentratie van VOS in de binnenlucht een aanzienlijke invloed hebben op ons welzijn en onze gezondheid.

Een VOC-sensor kan een breed scala aan gassen detecteren, zowel binnen als buiten gebouwen, zoals (koolwaterstof)verbindingen (bijv. alcohol of CO), sulfideverbindingen (die onaangename geuren veroorzaken, bijv. H₂ S), en oplosmiddelen (bijvoorbeeld aceton). Ze komen bijvoorbeeld uit verf, lakken of wasmiddelen. In een smart home helpt VOC-informatie om meerdere apparaten te bedienen, zoals het aan- en uitzetten van een afzuigkap of het starten van een luchtreiniger. Bovendien kan het worden gebruikt om waarschuwingen te genereren; bijvoorbeeld door brand of zelfs bedorven etenswaren in een koelkast te detecteren. VOC-gegevens kunnen ook worden gebruikt met andere internet of things-toepassingen; bijvoorbeeld de ventilatie in een kantoorgebouw optimaliseren op basis van luchtkwaliteit.

Figuur 2:Impact van VOS en PM2.5 op de luchtkwaliteit

Voor het meten van VOS heeft Bosch een compacte, hoogwaardige gassensor ontwikkeld. De BME680 is 's werelds kleinste oplossing die vier-in-één bewaking van de luchtkwaliteit biedt. Het kan omgevingstemperatuur, luchtdruk, relatieve vochtigheid en gassen meten en is ondergebracht in een ³ van 3 × 3 × 0,93 mm pakket. Het werkt in het ultra-low-power bereik, tot minder dan 0,1 mA.

De sensor kan onderscheid maken tussen verse lucht (d.w.z. schone lucht, voornamelijk stikstof, zuurstof en vochtigheid) en gebruikte lucht met extra verontreinigende stoffen. Wanneer mensen in kamers aanwezig zijn, is de uitgeademde lucht doorgaans een van de belangrijkste redenen voor een slechte luchtkwaliteit. Het kennen van de hoeveelheid uitgeademde lucht in de omgevingslucht helpt bij het optimaliseren van de ventilatie en helpt daardoor de overdracht van infecties zoals SARS-CoV-2 via de lucht te voorkomen. ⁵ Hoewel VOC-sensoren virussen niet direct kunnen detecteren, dragen ze indirect bij aan de gezondheid en het welzijn van mensen.

Intelligente software zet de verzamelde sensorgegevens om in bruikbare outputs voor de gebruikers. Door moderne gasdetectietechnieken te combineren met kunstmatige intelligentie, kunnen nu verschillende omgevingscondities worden herkend en geclassificeerd, wat veel nieuwe toepassingen mogelijk maakt.

Laten we eens kijken naar een geavanceerd voorbeeld van risico-evaluatie voor het in kaart brengen van het bosklimaat en vroege detectie van natuurbranden. Allereerst brengt een sensornetwerk het hele gebied in kaart met realtime inzicht in alle omgevingsactiviteiten. Ten tweede wordt machine learning gebruikt om een ​​wiskundig model te creëren op basis van onbewerkte gegevens voor het classificeren en voorspellen van verschillende situaties en het beoordelen van risico's. En ten derde wordt edge AI gebruikt om het eindproduct aan te passen aan de gebiedsspecifieke omstandigheden van de individuele gebruiker en om het stroomverbruik te verlagen.

Figuur 3:Het voorbeeld van het bosklimaat

Een andere toepassing zou kunnen zijn om te detecteren wanneer de luier van een baby moet worden verschoond. De sensorhardware kan temperatuur, druk, vochtigheid en de aanwezigheid van gassen meten - maar de ouders willen dit detailniveau niet; ze moeten alleen weten wanneer actie vereist is. Aangezien ongeveer 19% van de bevolking ouder dan 20 jaar last heeft van reukstoornissen, kan deze "basis" informatie hen helpen een zekere kwaliteit van leven terug te krijgen. ⁶ Een wiskundig model, ontwikkeld met machine learning, kan worden gebruikt om de onbewerkte sensorgegevens te vertalen naar een eenvoudige statusindicatie, waarbij AI het model in werking verfijnt.

Figuur 4:De luiertoepassing

Bosch breidt het bereik van de gassensor verder uit om nieuwe mogelijkheden toe te voegen en nieuwe gebruiksscenario's mogelijk te maken. Nieuwe gasdetectietechnologieën omvatten meer geavanceerde software en een breder scala aan gasdetectiemogelijkheden. De gassensor kan bijvoorbeeld verschillende gassamenstellingen detecteren, waardoor, in vergelijking met referentiegegevens, geuren kunnen worden geïdentificeerd (Figuur 5 ). Voorbeelden van use-cases zijn het bewaken van de netheidsstatus van openbare ruimtes, classificatie van slechte adem of het detecteren van bedorven voedsel.

Figuur 5:Omgevingsdetectie detecteert verschillende gassamenstellingen.

Conclusie

Door nauwkeurige, realtime, gepersonaliseerde luchtkwaliteitsgegevens te genereren, zullen deze nieuwe sensortechnologieën de manier waarop we de kwaliteit van de lucht om ons heen beoordelen veranderen en ons in staat stellen om dienovereenkomstig te reageren. We zullen beter plannen wanneer we buiten zijn om onze woon-werkverkeer of sportactiviteiten aan te passen. We zullen de luchtkwaliteit in onze huizen beheren door de ventilatie te regelen en de vorming van deeltjes te voorkomen. Indien aangepast op een bredere schaal, zal dit ons ook helpen om weloverwogen beslissingen te nemen; bijvoorbeeld bij het verhuizen naar een nieuw gebied of bij het beslissen waar u op vakantie gaat. Met het toenemende bewustzijn om het milieu en onszelf gezond te houden, zal de vraag naar luchtkwaliteitstoepassingen in de toekomst blijven groeien.

De luchtkwaliteitsdetectietechnologieën van Bosch zijn klein genoeg om te worden gebruikt in platte draagbare apparaten zoals smartphones en goedkoop genoeg voor brede toepassing - wat merkbare voordelen zal opleveren voor zowel het individu als de samenleving als geheel.

Referenties

¹ WHO, ‘Ambient (outdoor) luchtvervuiling’, https://www.who.int/news-room/…

² Afdeling Milieu Voedsel &Plattelandszaken, Volksgezondheid:‘Bronnen en effecten van PM2.5’, https://laqm.defra.gov.uk/publ…

³ Harvard University, 'Luchtvervuiling koppelen aan hogere sterftecijfers door coronavirus', https://www.hsph.harvard.edu/b…

⁴ https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health

⁵ Milieu internationaal:"Airborne Transmission of SARS-CoV-2:The world should face the reality", 2020, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016041202031254X

⁶ Harvard Medical School:"Reukstoornissen:wanneer je reukvermogen verdwaalt", 2018, https://www.health.harvard.edu/blog/mell-disorders-when-your-sense-of-mell-goes-astray -2018121215539

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EEWeb.