من يحتاج إلى البطاريات؟ يمكن لأجهزة الاستشعار ذاتية الطاقة تبسيط وتعزيز الأنظمة

إن الطلب المتزايد على الطاقة وكيفية تلبيته يُعد أحد أهم القضايا التي يواجهها العالم. ليس فقط حجم الإنتاج هو تحدٍ يتطلب معالجة، بل يجب أن تكون طبيعة الإنتاج مستدامة وخالية من انبعاثات الكربون.

العلماء والباحثون والتقنيون والمؤسسات والمنظمات الحكومية حول العالم يبذلون قصارى جهدهم لإيجاد حلول فعّالة لهذا التحدي الطاقي. وقد ساهمت العديد من المحاولات الناجحة في تحسين الوضع كذلك.

وسط كل ذلك، توصل مجموعة من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى مستشعر ذاتي الطاقة وخالٍ من البطاريات قادر على جمع الطاقة من البيئة. لنبدأ بالغوص أعمق وفهم ما تعنيه هذه التقنية ولماذا تُعد ابتكارًا مهمًا.

مستشعرات ذاتية الطاقة وخالية من البطاريات من باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

هذه المستشعرات لا تحتاج إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن أو الاستبدال. كما أنها لا تتطلب أسلاكًا، مما يجعل وضعها أسهل في الأماكن التي يصعب الوصول إليها. أساسًا، هذه المستشعرات حساسة للحرارة ويمكنها الاعتماد على الطاقة المستمدة من المجال المغناطيسي المجاور حول سلك في الهواء الطلق.

نشر هذه المستشعرات بسيط مثل تثبيتها حول سلك يحمل الكهرباء، مثل تلك التي تشغل محركًا. بمجرد تثبيتها، يكون النشر كافيًا لجهاز الاستشعار لجمع وتخزين الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يستطيع الجهاز مراقبة درجة حرارة المحرك، وجمع بيانات عن استهلاك الطاقة وتشغيل الآلة على مدى فترة طويلة.

وفقًا لـ دانيل موناغلي، المؤلف الرئيسي الدراسة التي تسلط الضوء على هذا الابتكار ك ورقة منشورة في IEEE Xplore:

«لقد قدمنا مثالًا على مستشعر خالٍ من البطارية يقوم بعمل مفيد وأظهرنا أنه حل قابل للتنفيذ عمليًا. الآن، نأمل أن يستخدم الآخرون إطار عملنا لتشجيعهم على تصميم مستشعراتهم.»

أثناء الحديث عن الابتكار وقيمته العملية، قال جون دونال، أستاذ مشارك في هندسة الأسلحة والتحكم في الأكاديمية البحرية الأمريكية: 

«يمكن لأنظمة جمع الطاقة مثل هذه أن تجعل من الممكن تعديل مجموعة واسعة من المستشعرات التشخيصية على السفن وتقليل تكلفة الصيانة بشكل كبير.»

يعتقد الباحثون أن هذا الابتكار إضافة قيمة لعالم جمع الطاقة لأنه يعمل كواجهة إدارة طاقة إلكترونية فعّالة بين مصدر الجمع وحمل المستشعر.

أظهر النظام، خلال الاختبارات التطويرية، قدرات بدء بارد ناجحة تستخدم منطقًا منفصلًا، مع تحسينات في جمع الطاقة تصل إلى ما يقرب من 400٪ تحت ظروف حمل جهد معين للمجمع. عمل بنظام تحكم هستيري يمكنه خدمة حمل مستشعر يصل إلى 50 ميجاواط.

حصل المشروع على دعم جزئي من مكتب الأبحاث البحرية ومؤسسة غرينجر. أساسًا، قد تكون قدرات المراقبة والاستشعار لهذه الأجهزة لها تطبيقات عديدة في عالم الشحن.

على سبيل المثال، الوصول إلى طاقة السفينة ومراقبتها صعب بسبب عدد المنافذ المحدود والقيود الصارمة المتعلقة بنوع المعدات التي يمكن توصيلها.

بينما يمكن للسفينة الاستفادة كثيرًا من قياس اهتزاز مضخة، والحصول على معلومات فورية عن صحة المحامل والحوامل، فإن تمويل مستشعرات التعديل يتطلب بنية تحتية استثمارية ثقيلة. تجعل أنظمة المستشعرات ذاتية الطاقة ذلك ممكنًا لتعديل مجموعة من المستشعرات التشخيصية على السفن، مما يقلل تكلفة الصيانة بشكل كبير.

علاوة على ذلك، لا يعتمد جمع الطاقة الذي تقوم به هذه المستشعرات فقط على المجالات المغناطيسية. يمكنها جمع الطاقة من الاهتزازات أو ضوء الشمس وتوفير إمكانات لبناء شبكات مستشعرات شاملة للمصانع والمستودعات والمساحات التجارية بتكلفة تركيب وصيانة معتدلة جدًا.

كل هذه المناقشات حول جمع الطاقة واستخلاص الطاقة المطلوبة من المجالات المغناطيسية المحيطة، أو الاهتزازات الصوتية، أو ضوء الشمس قد تذكر أولئك الذين يعرفون المواد البيزوإلكتريكية. لكن هناك اختلافات.

انقر هنا لتتعرف على مصادر الطاقة المستدامة ومعدلات اعتمادها.

مستشعرات ذاتية الطاقة تختلف عن المواد البيزوإلكتريكية

المواد البيزوإلكتريكية يمكنها إنتاج جهد كهربائي عندما تُوضع تحت ضغط. العوامل الدافعة وراء توليد الطاقة قد تكون الانحناء أو الشد أو الاهتزازات. من الممكن الاستفادة من هذه الطرق لتوليد الكهرباء عبر جهاز طاقة موجية.

تم أيضًا استخدام البيزوإلكتريكية كتقنية لتوليد الطاقة البحرية. ومع ذلك، فهي مختلفة عن أنظمة المستشعرات ذاتية الطاقة التي نناقشها هنا لأنها تشكل جزءًا فقط من النظام.

الورقة العلمية التي تفصل تصميم إدارة الطاقة للمستشعرات ذاتية الطاقة تُظهر أن هناك ثلاثة مكونات رئيسية لها. هناك مصدر المجمع، وحدة إدارة الطاقة الأساسية، وعقدة المستشعر.

البيزوإلكتريكية هي أحد مصادر المجمع. قد تكون هناك مصادر مجمع أخرى، بما في ذلك الخلايا الشمسية، ومصادر CT MEH، ومصادر حرارية أو احتكاكية.

باختصار، المستشعر ذاتي الطاقة هو أكثر من مجرد مادة بيزوإلكتريكية أو ظاهرة البيزوإلكتريكية بحد ذاتها. وبالتالي، تجد المستشعرات ذاتية الطاقة مجموعة واسعة من التطبيقات.

في الأقسام القادمة، سنستعرض الشركات التي تصنع مثل هذه المستشعرات أو تستخدمها.

#1. EnOcean: مستشعرات ذاتية الطاقة للمباني الآمنة

تستمد المستشعرات اللاسلكية ذاتية الطاقة من EnOcean طاقتها من الضوء المحيط، مستفيدةً من الخلايا الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، تستطيع هذه المستشعرات استخراج الطاقة من أصغر فروق درجات الحرارة. إلى جانب جمع الطاقة، يمكنها أيضًا جمع البيانات الأولية، مما يساعد في تحليل وتصور ديناميكيات الطاقة في المبنى الذكي. علاوةً على ذلك، وبالإضافة إلى الحرارة، تكتسب هذه المستشعرات معلومات عن الرطوبة، والضوء، وكيفية استخدام المساحات وبعض الغرف في المبنى.

تمتلك EnOcean مجموعة متنوعة من المنتجات في محفظة المستشعرات ذاتية الطاقة، بما في ذلك وحدات مستشعرات لاسلكية تجمع الطاقة، ومحولات DC/DC منخفضة الطاقة لمجمعات الطاقة الحرارية، ووحدات إرسال اتصال مغناطيسي تجمع الطاقة، ووحدات مستشعرات حرارة لاسلكية، ووحدات مستشعر رطوبة، وأكثر.

تُصنّف EnOcean STM 550 كمنتجها الرائد في عائلة المستشعرات ذاتية الطاقة. إنه مستشعر لاسلكي يجمع الطاقة وله تطبيقات عديدة في المباني الرقمية. إنه منتج متعدد المستشعرات يجمع بين خمسة مستشعرات مختلفة تعمل على اتصال مغناطيسي، وتسارع، ورطوبة، وإضاءة، ودرجة حرارة.

يأتي المستشعر مزودًا بخلية شمسية مدمجة يمكنها تلبية جميع احتياجات الطاقة التشغيلية. حتى عندما لا يتوفر ضوء الشمس، يضمن الطاقة المخزنة داخليًا بقاء النظام فعالًا. أخيرًا، تضمن واجهة NFC سهولة التكوين والوصول عبر قارئ NFC أو هاتف ذكي أو جهاز لوحي.

وفقًا لوثيقة داخلية نشرت من قبل EnOcean، سجلت الشركة إيرادات قدرها 21 مليون دولار أمريكي و23.2 مليون دولار أمريكي في السنة المالية 21 والسنة المالية 22 على التوالي، دون احتساب أي إيرادات من الأصول المكتسبة. بالنسبة للسنة المالية 23، توقعت الشركة إيرادات قدرها 35 مليون دولار أمريكي.

كما عرضت الشركة خط أنابيب قوي من المستثمرين الاستراتيجيين والماليين، بما في ذلك Eltako Electronics، Wellington Partners، SET Ventures، Siemens، وEmerald Technology Ventures.

#2. ONiO: العمل نحو مستقبل خالٍ من البطاريات

شركة أخرى تعمل بجد لتلبية متطلبات مستقبل ذاتي الطاقة هي ONiO.

منتجها الرائد، ONiO.zero، هو متحكم دقيق لاسلكي صغير قادر على استبدال البطاريات. يُزرع على شريحة سيليكون صغيرة تحتوي على الدوائر الكهربائية اللازمة لتجميع أصغر كميات الطاقة.

يمكن لهذا النظام النانوي تنفيذ البرامج، والاتصال بالمستشعرات الخارجية، والتواصل لاسلكيًا. يستخدم الطاقة المتجددة المحيطة لتشغيل الإلكترونيات الدقيقة، مما يتيح إعدادًا يمكن للمستخدمين فيه الاستفادة الكاملة من طاقة RF والطاقة الشمسية والطاقة الحرارية.

يقوم ONiO.Zero بتشغيل العديد من أجهزة المتحكم الدقيق، بما في ذلك جهاز تحكم عن بُعد خالٍ من البطاريات. عند تشغيل جهاز التحكم عن بُعد، يطبق ONiO.zero واجهة PDM منخفضة الطاقة لتوصيل الميكروفونات منخفضة الطاقة. تدعم هذه الواجهة سرعات أخذ عينات من 300 كيلوهرتز إلى 12 ميغاهرتز، مع دعم إضافي لمعدل البت الكسرية. علاوةً على ذلك، يضمن دمج محرك لمس سعوي أن الجهاز لا يحتاج إلى مذبذب داخلي للتشغيل ويعمل بالكامل بتوقيت ذاتي. يتيح هذا التصميم تشغيله بقدرة منخفضة جدًا وإيقاظ النظام المتبقي بشكل غير متزامن. بالإضافة إلى ذلك، صُمم المذبذب منخفض الطاقة بحيث يمكن لأي ضغط زر من إجمالي 64 زرًا إيقاظ وحدة المعالجة المركزية.

في يوليو 2023، كشفت ONiO عن ملصقات رف إلكترونية خالية من البطاريات. هذه الملصقات ذاتية الطاقة 100٪ ولا تحتاج إلى بطاريات على الإطلاق. تستخدم الملصقات التقليدية قشرتين من العملات، وتستخدم المتاجر الصغيرة ما يقرب من 6,000 ملصق رف، مما ينتج عنه التخلص المتكرر من ما يقرب من 12,000 خلية عملة في المحيطات ومكبات النفايات من متجر واحد فقط.

يمكن لملصقات الرف الإلكترونية الخالية من البطاريات التي تقدمها ONiO أن تنقذ كوكبنا من النفايات السامة الناتجة عن ملايين البطاريات.

أكملت الشركة جولات التمويل الأولية، وجولات البذور، وجولات الجسر جولة التمويل في 2017، 2018، و2021 على التوالي، ومن المتوقع إكمال السلسلة A بحلول 2024. تشير أحدث بيانات التمويل المتاحة إلى أن الشركة جمعت ما يقرب من 2.5 مليون يورو كمنحة من المجلس الأوروبي للابتكار في مايو 2020.

#3. شركة Clarity Movement: الاستفادة من تقنية استشعار الهواء لقيادة حركة الهواء النظيف

تقع شركة Clarity Movement Co. في بيركلي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة، وتقدم جهاز مراقبة الجسيمات وثاني أكسيد النيتروجين الرائد باسم Clarity Node‑S. إنه حل ذاتي الطاقة حاصل على شهادة FCC/CE. في جوهره، هو نظام إنترنت الأشياء لمراقبة جودة الهواء يعمل على مبدأ جمع الطاقة الشمسية.

كما يتمتع بقدرات إدارة بيانات متقدمة يمكن تعديلها لتتناسب مع أي حجم مشروع. إلى جانب كونه جهازًا لمراقبة جودة الهواء يقيس PM2.5 وثاني أكسيد النيتروجين، يعمل Clarity Node‑S أيضًا كمنصة تقيس الرياح، والكربون الأسود، والأوزون. يقدم لوحة تحكم سهلة الاستخدام قياسات جودة الهواء وبيانات حالة شبكة الهواء بأكثر طريقة وصولية ممكنة.

أجرت Clarity Movement خمس جولات تمويل حتى الآن، وكانت أحدث جولة A في 24 يوليو 2022. وفقًا للتقارير، تم إغلاق الجولة بمبلغ 9.6 مليون دولار أمريكي من الأموال التي تم جمعها.

بعيدًا عن الشركات التي تصنع حلول المستشعرات ذاتية الطاقة وخالية من البطاريات، هناك مجالات تطبيقية تدرس جدواها وتقوم بتطويرات وفقًا لذلك.

من الرعاية الصحية إلى بناء الأنظمة الذكية: استخدام المستشعرات ذاتية الطاقة

وجدت المستشعرات تطبيقًا في الرعاية الصحية، وصناعة الأجهزة القابلة للارتداء، ومجال الإلكترونيات الشخصية، والسيارات، والمباني، ومراقبة الطعام، والروبوتات، ومراقبة البيئة، وأكثر. وقد عززت المستشعرات ذاتية الطاقة هذه الفوائد بشكل أكبر.

الآن، يجري تطوير دمج تقنيات التعلم الآلي في أنظمة الاستشعار ذاتية الطاقة. يعتقد الخبراء أن تعزيز المستشعرات ذاتية الطاقة بقدرات التعلم الآلي سيفتح آفاقًا لنشر واسع النطاق لإنترنت الأشياء.

أُجريت أبحاث ناجحة حول نقل ضوئي لاسلكي ذاتي الطاقة للضغط اللاسلكي. شهد العالم العلمي أيضًا تطور أساور معصم ثلاثية الأبعاد مطبوعة من مادة مطاطية ذات نواة معدنية تعمل بالاحتكاك، ومستشعرات ارتعاش لمرض باركنسون، وجوارب ذكية، وأنظمة مساعدة السائق الذكية – جميعها تعمل على الاستفادة من المستشعرات ذاتية الطاقة.

في مجال الرعاية الصحية والتطبيقات الطبية الحيوية، ظهرت مستشعرات هجينة مع تقنيات التعلم الآلي يمكنها اكتشاف الطاقة البيوميكانيكية المنبعثة من حركات الإنسان. تُشغّل هذه المستشعرات أجهزة إعادة تأهيل الساق وتساعد في استشعار الحركة البيوميكانيكية على الجلد وحلول استشعار الضغط المتعددة الوظائف وتحديد إيماءات الإنسان.

الطريق إلى مستقبل خالٍ من البطاريات ومستقل ذاتيًا

إحدى المجالات التي ستساعد فيها المستشعرات ذاتية الطاقة وخالية من البطاريات بشكل كبير هي نشر إنترنت الأشياء على نطاق عالمي. تشير التقديرات إلى أن نشر إنترنت الأشياء على نطاق واسع قد يتطلب استبدال مليار بطارية كل يوم. ستساعد تقنيات جمع الطاقة بالتأكيد.

مع ذلك، لا يمكن لمستقبل المستشعرات ذاتية الطاقة تحقيق إمكاناته الحقيقية إلا إذا تمكن من حل بعض الاختناقات. يجب أن يصبح عالم الإلكترونيات جاهزًا لقبول واستغلال طرق توليد الطاقة الصغيرة التي تولدها تقنيات جمع الطاقة بفعالية.

يحتاج العالم إلى رؤية مزيد من التقدم في تطوير الأجهزة الإلكترونية التي يمكنها العمل بكفاءة على طاقة معالجة نشطة منخفضة. يجب أن تزيد الشحنة السطحية التي يولدها الاحتكاك الكهربي لتجميع طاقة كافية لتشغيل أجهزتنا الإلكترونية اليومية. بالنسبة للتطبيق الناجح في أنشطة كشف حركة الإنسان، سيلعب إدارة البيانات المتاحة دورًا حاسمًا.

مع معالجة هذه التحديات بشكل كافٍ، يمكن للمستشعرات ذاتية الطاقة أن تلعب دورًا كبيرًا في تبسيط وتعزيز الأنظمة التي نستخدمها يوميًا. ستمهد الطريق لطاقة ذات أقل بصمة كربونية وتكون مستدامة في جوهرها.