Hvem har brug for batterier? Selvforsynende sensorer kan forenkle og forbedre systemer

Den voksende energiefterspørgsel og hvordan man kan imødekomme den er en af de mest presserende bekymringer, verden står over for. Ikke kun er produktionsvolumen en udfordring, der skal tackles, men også produktionsformen skal være bæredygtig og fri for CO2‑udledning. 

Forskere, forskningsfolk, teknikere, institutioner og regeringsorganisationer verden over gør deres bedste for at udvikle effektive løsninger på denne energibekymring. Mange succesfulde forsøg har også bidraget til at forbedre situationen. 

Midt i alt dette har en gruppe MIT‑forskerer udviklet en batterifri, selvforsynende sensor der kan udnytte energi fra omgivelserne. Lad os dykke dybere ned og forstå, hvad denne teknologi betyder, og hvorfor den er en betydningsfuld innovation. 

Batterifri, selvforsynende sensorer fra MIT‑forskerer

Disse sensorer kræver hverken genopladelige eller udskiftelige batterier. De behøver heller ikke ledninger, hvilket gør dem lettere at placere på svært tilgængelige steder. Grundlæggende er disse sensorer temperaturfølsomme enheder, der kan trives på energi hentet fra det tilstødende magnetfelt omkring en ledning i den åbne luft. 

Installation af disse sensorer er så enkelt som at klipse dem omkring en strømførende ledning, såsom dem der driver en motor. Når de er klippet på, er opsætningen tilstrækkelig til, at sensoren både kan indsamle og lagre energi. Derudover kan enheden overvåge motorens temperatur samt indsamle data om maskinens energiforbrug og drift over en længere periode.

Ifølge Daniele Monagle, hovedforfatteren af studiet, der fremhæver denne innovation som en artikel offentliggjort i IEEE Xplore:

“Vi har leveret et eksempel på en batterifri sensor, der udfører en nyttig funktion, og vist, at den er en praktisk realiserbar løsning. Nu vil andre forhåbentlig bruge vores rammeværk til at sætte gang i designet af deres sensorer.”

Mens han talte om innovationen og dens nytteværdi, sagde John Donnal, lektor i våben- og kontrolteknik ved United States Naval Academy: 

“Energihøstningssystemer som dette kan gøre det muligt at eftermontere en bred vifte af diagnostiske sensorer på skibe og markant reducere de samlede vedligeholdelsesomkostninger.”

Forskerne mener, at denne innovation er et værdifuldt supplement til energihøstningsverdenen, fordi den fungerer som en effektiv elektronisk energistyringsgrænseflade mellem høsterkilden og sensorbelastningen. 

Systemet viste under udviklingstest succesfulde koldstartkapaciteter, der anvender diskret logik, med gennemsnitlige energihøstningsforbedringer på næsten 400 % under visse høsters spændingsbelastningsforhold. Det fungerede under en hysteretisk kontrolmetode, der kunne betjene en sensorbelastning på op til 50 megawatt. 

Arbejdet blev delvist støttet af Office of Naval Research og The Grainger Foundation. Grundlæggende kan overvågnings- og sensorkapaciteterne i disse enheder have mange anvendelser inden for skibsfart. 

For eksempel er det svært at få adgang til og overvåge strøm på et skib, da der er et begrænset antal stikkontakter og strenge restriktioner vedrørende den type udstyr, der kan tilsluttes. 

Selvom skibet kunne drage stor fordel af at måle vibrationerne fra en pumpe og få realtidsinformation om lejer og monterings tilstand, kræver strømforsyning af eftermonterede sensorer en kapitaltung infrastruktur. Disse selvforsynende sensorsystemer gør det muligt at eftermontere en række diagnostiske sensorer på skibe, hvilket markant sænker vedligeholdelsesomkostningerne. 

Desuden er energihøstningen i disse sensorer ikke kun afhængig af magnetfelter. De kan indsamle energi fra vibrationer eller sollys og kan muliggøre opbygning af komplette sensornetværk for fabrikker, lagre og kommercielle rum til en meget moderat installations- og vedligeholdelsesomkostning. 

Alle disse diskussioner om energihøstning og udnyttelse af den nødvendige energi fra omgivende magnetfelter, lydvibrationer eller sollys kan vække genklang hos dem, der kender til piezoelektriske materialer. Men der er forskelle. 

Klik her for at lære om bæredygtige energikilder og deres adoptionsrater.

De selvforsynende sensorer adskiller sig fra piezoelektriske materialer

De piezoelektriske materialer kan producere en elektrisk spænding, når de udsættes for belastning. De drivende faktorer bag energiproduktionen kan være bøjning, udstrækning eller vibrationer. Det er muligt at udnytte disse metoder til at generere elektricitet via en bølgeenergi-enhed. 

Piezoelektricitet er også blevet anvendt som en maritim kraftgenereringsteknologi. Dog adskiller den sig fra de selvforsynende sensorsystemer, vi diskuterer her, fordi den kun udgør en del af systemet. 

Den videnskabelige artikel der beskriver energistyringsdesignet for selvforsynende sensorer, viser, at der er tre brede komponenter. Der er høsterkilden, den centrale energistyringsmodul og sensor-noden. 

Piezoelektricitet er en af høsterkilderne. Der kan være flere sådanne høsterkilder, herunder solceller, CT‑MEH‑kilder og termoelektriske eller triboelektriske kilder. 

Sammenfattende er en selvforsynende sensor mere end et piezoelektrisk materiale eller selve fænomenet piezoelektricitet. Derfor finder selvforsynende sensorer en række anvendelser. 

I de kommende afsnit vil vi se på virksomheder, der fremstiller sådanne sensorer eller bruger dem. 

#1. EnOcean: Self-Powered Sensors for Safe Buildings

EnOceans trådløse selvforsynende sensorer udnytter energi fra omgivende lys ved hjælp af solceller. Ikke kun det, men disse sensorer kan også udtrække energi fra de mindste temperaturforskelle. Ud over energihøstning kan de indsamle rådata, som hjælper med analyse og visualisering af energidynamikken i en smart bygning. Derudover indsamler sensorerne, ud over temperatur, effektivt information om fugtighed, lys og hvordan rum og bestemte områder i en bygning bliver brugt.

EnOcean har en række produkter i sin portefølje af selvforsynende sensorer, herunder trådløse sensormoduler med energihøstning, ultra‑lav‑effekt DC/DC‑omformere til termiske energihøstere, magnetkontakt‑transmitter‑moduler med energihøstning samt trådløse temperatur‑sensormoduler, fugtighedssensormoduler og mere. 

EnOcean positionerer STM 550 som flagskibsproduktet i sin familie af selvforsynende sensorer. Det er en trådløs sensor med energihøstning, der har mange anvendelser i digitaliserede bygninger. Det er et multisensor‑produkt, der kombinerer fem forskellige sensorer, som arbejder med magnetkontakt, acceleration, fugtighed, belysning og temperatur.

Sensoren leveres med en integreret solcelle, som kan dække alle driftsenergi‑behov. Selv når der ikke er sollys tilgængeligt, sikrer den internt lagrede høstede energi, at systemet forbliver funktionelt. Endelig muliggør NFC‑grænsefladen nem konfiguration og adgang via en NFC‑læser, smartphone eller tablet. 

Ifølge et internt dokument offentliggjort af EnOcean registrerede virksomheden en omsætning på 21 millioner USD og 23,2 millioner USD i regnskabsårene FY 21 og FY 22 henholdsvis, uden at medregne indtægter fra de erhvervede aktiver. For FY 23 forventedes en omsætning på 35 millioner USD.

Virksomheden fremviste også en stærk pipeline af strategiske og finansielle investorer, herunder Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens og Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Working Towards a Batteryless Future

En anden virksomhed, der har arbejdet intensivt på at imødekomme kravene til en selvforsynende fremtid, er ONiO. 

Dens flagskibsprodukt, ONiO.zero, er en lille trådløs mikrokontroller, der kan erstatte batterier. Den er indlejret på et lille stykke silicium, som har den nødvendige elektriske kredsløb til at akkumulere de mindste energimængder. 

Dette nanoskalasystem kan køre programmer, forbinde til eksterne sensorer og kommunikere trådløst. Det udnytter omgivende vedvarende energi til at drive mikroelektronik og opnå en opsætning, hvor brugerne fuldt ud kan udnytte RF‑, sol‑ og termoelektrisk energi til deres fordel. 

ONiO.Zero driver mange mikrokontroller‑enheder, herunder en batterifri fjernbetjening. Ved drift af fjernbetjeningen implementerer ONiO.zero en lav‑effekt PDM‑grænseflade til tilslutning af lav‑effekt mikrofoner. Denne grænseflade understøtter samplingshastigheder fra 300 kHz til 12 MHz med yderligere støtte til brøkdelige bithastigheder. Desuden betyder integrationen af en kapacitiv berøringsmotor, at fjernbetjeningen ikke kræver en intern oscillator for drift og er fuldstændig selv‑klokket. Dette design gør, at den kan køre på ekstremt lav effekt og asynkront vække resten af systemet. Endvidere er den ultra‑lav‑effekt oscillator designet, så ethvert tryk på en af de i alt 64 knapper kan vække CPU’en.

I juli 2023 præsenterede ONiO sine batterifri elektroniske hyldemærkater. Disse er 100 % selvforsynende og kræver slet ingen batterier. Traditionelle hyldemærkater bruger to møntceller hver, og en gennemsnitlig kiosk bruger omkring 6.000 af disse hyldemærkater, hvilket resulterer i hyppig bortskaffelse af næsten 12.000 møntceller i havene og på lossepladser fra én enkelt kiosk.

ONiOs selvforsynende batterifri elektroniske hyldemærkater kan redde vores planet fra giftigt affald genereret af sådanne millioner af batterier. 

Virksomheden gennemførte sine pre‑seed, seed og bridge finansieringsrunder i henholdsvis 2017, 2018 og 2021 og forventes at afslutte Series A i 2024. De seneste tilgængelige finansieringsdata antyder, at virksomheden rejste næsten 2,5 millioner euro som en bevilling fra European Innovation Council i maj 2020.

#3. Clarity Movement Co.: Leveraging Air Sensing Technology to Lead the Clean Air Movement

Baseret i Berkeley, Californien, USA, tilbyder Clarity Movement Co. sit flagskibsprodukt for partikel‑ og nitrogen­dioxid‑overvågning ved navn Clarity Node‑S. Det er en selvforsynende løsning, der har opnået FCC/CE‑certificering. I sin kerne er det et IoT‑luftkvalitetsovervågningssystem, der fungerer på principperne for solenergi‑høstning. 

Den har også avancerede datastyringsfunktioner, som kan tilpasses enhver projektstørrelse. Ud over at fungere som hardware til luftkvalitetsovervågning, der måler PM2,5 og nitrogen‑dioxid, fungerer Clarity Node‑S også som en platform, der kan måle vind, sort kulstof og ozon. Dets brugervenlige dashboard tilbyder luftkvalitetsmålinger og data om luftnetværkets status på den mest tilgængelige måde. 

Clarity Movement har indtil nu haft i alt fem finansieringsrunder, hvor den seneste Series A fandt sted den 24. juli 2022. Ifølge rapporter blev runden lukket med 9,6 millioner USD i indsamlede midler. 

Udover de virksomheder, der fremstiller batterifrie, selvforsynende sensorsystemer, er der anvendelsesområder, der undersøger deres gennemførlighed og udvikler dem i overensstemmelse hermed. 

Fra sundhedspleje til intelligente bygningssystemer: Anvendelse af selvforsynende sensorer

Sensore har fundet anvendelse inden for sundhedspleje, wearables‑industrien, personlige elektronik, biler, bygninger, fødevareovervågning, robotteknik, miljøovervågning og mere. Fordelene ved sensorer er blevet yderligere forstærket af selvforsynende sensorer. 

Nu er der udvikling i retning af at integrere maskinlæringsteknikker i selvforsynende sensorsystemer. Eksperter mener, at udvidelse af selvforsynende sensorer med ML‑funktioner vil åbne muligheder for en stor‑skala udrulning af Internet of Things. 

Succesfuld forskning er blevet udført omkring selvforsynende trådløs optisk transmission til trådløs trykmåling. Det videnskabelige samfund har også været vidne til udviklingen af 3D‑printede elastomeriske metal‑kerne triboelektriske armbånd, tremorsensorer til Parkinsons, smarte sokker og intelligente førerassistentsystemer – alle arbejder på at udnytte selvforsynende sensorer.

Inden for sundheds‑ og biomedicinske anvendelser er der kommet hybride sensorer med ML‑teknikker, der kan opdage biomekanisk energi udsendt af menneskelige bevægelser. Disse sensorer driver ben‑rehabiliteringsenheder og hjælper med hud‑udløst biomekanisk bevægelse samt multifunktionel trykmåling og løsninger til genkendelse af menneskelige gestusser. 

Vejen frem for en batterifri, selvforsynende fremtid

Et af de områder, hvor selvforsynende, batterifrie sensorer vil hjælpe enormt, er udrulning af IoT i global skala. Estimater antyder, at en potentiel stor‑skala IoT‑udrulning kræver udskiftning af en milliard batterier hver dag. Energihøstningsteknikker vil helt sikkert hjælpe.

Dog kan fremtiden for selvforsynende sensorer kun realisere sit sande potentiale, hvis den løser nogle flaskehalse. Elektronikområdet skal blive klar til effektivt at acceptere og udnytte de små energigenerationsmetoder, som energihøstningsteknikker giver anledning til. 

Verden har brug for mere fremskridt i udviklingen af elektroniske enheder, der kan køre effektivt med lav aktiv behandlingskraft. Den overflade‑ladning, som kontakt‑elektrificering genererer, skal øges for at høste tilstrækkelig energi, der kan drive vores dagligdags elektroniske gadgets. For en vellykket anvendelse i aktiviteter med menneskelig bevægelsesdetektion vil effektiv håndtering af de tilgængelige data også spille en afgørende rolle. 

Når disse udfordringer er håndteret tilstrækkeligt, kan selvforsynende sensorer i høj grad forenkle og forbedre de systemer, vi bruger i hverdagen. Det vil bane vejen for energi med det laveste CO₂‑aftryk og som er bæredygtig i sin kerne.