Ibnu Taufan, chercheur doctorant à l'UL, discute de la recherche sur les vibrations et de son intérêt particulier pour le phénomène du « pont dansant ».
Pour de nombreux chercheurs, les origines de leur intérêt pour un domaine scientifique particulier remontent à un événement ou à un lieu spécifique. Pour Ibnu Taufan, le lien se retrouve dans deux événements spécifiques – le premier impliquant le plus long pont d’Indonésie.
« Quand j'étais jeune, mon père et moi allions de Sumenep (ma ville natale) à Surabaya (la deuxième plus grande ville après Jakarta) en ferry. Sur le ferry, j'ai observé le pont de Suramadu pendant sa construction », dit-il.
« Il a fallu six ans pour achever le pont. J'ai demandé à mon père pourquoi il avait fallu si longtemps pour construire le pont, mais sans réponse appropriée. »
Le deuxième événement remonte à l'époque où Taufan étudiait pour obtenir un diplôme d'ingénieur physique à l'Institut Teknologi Sepuluh Nopember de Surabaya, où il a finalement obtenu une réponse à la question qu'il avait posée à son père.
« Le conférencier a expliqué le phénomène de résonance sur un pont. Il a montré le célèbre exemple du pont Tacoma, qui s'est effondré à cause d'un phénomène de résonance », explique Taufan. « Ce pont a révolutionné la recherche sur les vibrations, rendant les ponts du monde entier plus sûrs. Il a expliqué et prouvé la résonance à l'aide d'un modèle mathématique simple et de la physique qui la sous-tend.
« J’adorais les mathématiques et la physique au lycée et, grâce à son explication, j’aimais encore plus l’étude des vibrations. »
Taufan a ensuite obtenu son baccalauréat avec un intérêt particulier pour la recherche sur les vibrations et a commencé une carrière en tant qu'ingénieur produit et développement en ingénierie des vibrations dans une entreprise de fabrication de pompes en Indonésie.
« J'ai principalement travaillé sur des recherches sur la manière d'utiliser les signaux de vibration pour surveiller l'état des machines et réduire les mouvements excessifs des structures grâce au contrôle des vibrations », explique-t-il.
Quelques années après le début de sa carrière, Taufan a eu l'opportunité de poursuivre un doctorat en récupération d'énergie vibratoire à l'Université de Limerick (UL). Intéressé par cette nouvelle direction de recherche, Taufan a décidé de saisir l'opportunité et de s'installer en Irlande.
« Ce sujet est fascinant pour moi car au lieu de réduire les vibrations inconfortables (des voitures), le but de cette recherche est de récupérer les vibrations ambiantes – résiduelles – des machines en électricité pour alimenter les capteurs de l’Internet des objets (IoT) pour les applications de l’Industrie 4.0 », a-t-il déclaré à SiliconRepublic.com.
« Dans ce contexte, je suis impatient de résoudre les défis de la recherche sur les vibrations afin de contribuer à la fois à l'industrie et à la société.
Bonnes vibrations
Le sujet de recherche de doctorat de Taufan consiste à développer une nouvelle technologie de récupération d'énergie de vibration piézoélectrique (PVEH) à large bande pour alimenter de manière durable les capteurs IoT à des fins de maintenance préventive et d'optimisation des performances dans l'industrie 4.0.
« En général, l'industrie s'appuie sur des batteries ou sur le réseau électrique pour alimenter les capteurs destinés à la surveillance des machines. Cependant, ces types de sources d'énergie ne sont pas durables et coûtent cher dans les endroits éloignés », explique-t-il. « Les PVEH (appareils sans batterie) créés dans le cadre de mon doctorat peuvent capter les vibrations ambiantes des machines elles-mêmes pour alimenter de manière durable le capteur IoT pour la surveillance de l'état des machines en temps réel. »
Il affirme que l’importance de cette recherche réside dans sa capacité à réduire le gaspillage des batteries et la dépendance excessive au réseau électrique.
« Les batteries contribuent non seulement à la contamination du sol et des eaux souterraines en raison des déchets métalliques lors de leur production, mais les déchets de batteries contiennent également des métaux lourds toxiques qui peuvent provoquer une contamination du sol et de l'eau dans les zones résidentielles s'ils ne sont pas correctement éliminés », explique Taufan. « En outre, le réseau électrique a besoin de fils ou de câbles physiques pour relier des milliers de capteurs à distance, ce qui serait peu pratique et coûteux. »
La technologie de récupération d'énergie vibratoire (VEH), explique-t-il, peut être utilisée pour alimenter des milliers de capteurs IoT dans des sites distants pour la surveillance des machines dans l'Industrie 4.0. Les capteurs IoT peuvent alors rendre les données accessibles via Internet pour surveiller les actifs industriels en temps réel sans batteries ni connexions électriques.
Phénomène dansant
Dans le cadre de ses recherches sur les vibrations, l'un des sujets favoris de Taufan est la résonance, le phénomène mentionné précédemment qui peut provoquer une défaillance catastrophique dans des ponts, des bâtiments, des trains ou des avions mal construits.
La résonance est définie comme un phénomène qui se produit lorsqu'une fréquence de vibration externe correspond à la fréquence naturelle d'une structure, provoquant une augmentation spectaculaire de l'amplitude des vibrations – bien que Taufan ait une façon meilleure (et plus amusante) de l'expliquer.
« En termes simples, si quelqu'un aime une musique spécifique (A), il dansera en entendant la musique qu'il aime. Cependant, s'il entend une autre musique (B) qu'il n'aime pas, il ne dansera pas.
« La personne peut être représentée comme une structure, comme un pont, tandis que la musique est une source de vibrations externes (comme les vibrations des véhicules traversant le pont ou les vibrations dues au vent).
« Le phénomène de danse est la raison pour laquelle le pont peut s'effondrer. »
Taufan explique que dans le cadre de ses recherches doctorales, il doit concevoir une abatteuse – ou une structure – ayant une fréquence naturelle similaire à la fréquence de fonctionnement d'une machine (vibration ambiante).
« Par conséquent, la moissonneuse « dansera » si je la mets sur la machine », dit-il. « Le phénomène de danse sur ma moissonneuse générera une puissance de sortie élevée qui pourra alimenter de manière durable les capteurs IoT pour la surveillance des machines dans l'Industrie 4.0.
« C’est pourquoi j’aime la résonance, ainsi que les mathématiques et la physique qui la sous-tendent ! »
L’avenir du VEH
Taufan estime que dans un avenir proche, les déchets de batteries pourront être considérablement réduits grâce à son domaine de recherche et que la technologie VEH joue « un rôle important » dans l’Industrie 4.0.
« L'ingénieur de maintenance dans l'industrie n'aura pas besoin de surveiller manuellement les machines ou de remplacer les batteries des capteurs IoT », explique-t-il. « Dans l'industrie ferroviaire, le VEH peut être utilisé pour surveiller l'état des voies ferrées à l'aide de capteurs IoT.
« Les vibrations du chemin de fer (dues aux trains qui se croisent) sont suffisantes pour alimenter les capteurs. Ainsi, la compagnie ferroviaire n'a pas besoin de surveiller la voie de manière conventionnelle, ce qui provoque des perturbations dans les déplacements. »
Il dit que certaines personnes pensent que VEH peut remplacer les batteries d'appareils tels que les montres intelligentes, car il est perçu que les vibrations ambiantes lorsque nous marchons, courons ou faisons du vélo pourraient charger la montre intelligente grâce à la technologie VEH.
« À mon avis », dit-il, « le VEH peut partiellement – mais pas totalement – remplacer les piles, recharger les batteries rechargeables de notre montre intelligente. En effet, lorsque le volume total du VEH est faible – comme dans une montre intelligente – les fréquences naturelles du VEH seront supérieures à 30 Hz. «
« Dans ce contexte, le contenu fréquentiel des vibrations ambiantes (provenant des mouvements humains) est inférieur à 30 Hz. Les chercheurs du VEH ont encore un défi à relever pour proposer des VEH (avec un petit volume comme les montres intelligentes) pour alimenter ces appareils sans piles. «
Alors que son doctorat est toujours en cours, que réserve ce chercheur une fois ses études terminées ?
Bien qu'il soit ouvert aux opportunités de R&D dans l'industrie, Taufan affirme qu'il envisage de rester dans le monde universitaire.
«J'aime à la fois l'enseignement et la recherche dans le domaine des vibrations», dit-il. «Je crois que mon expertise et ma passion pour la recherche sur les vibrations peuvent contribuer à résoudre de nombreux problèmes liés aux vibrations et à la durabilité, tant dans l'industrie que dans la société.»
