¿Quién necesita baterías? Los sensores autoalimentados pueden simplificar y mejorar los sistemas

La creciente demanda de energía y cómo satisfacerla es una de las preocupaciones más urgentes que enfrenta el mundo. No solo el volumen de producción es un desafío que requiere ser abordado, sino que la naturaleza de la producción debe ser sostenible y libre de emisiones de carbono. 

Científicos, investigadores, tecnólogos, instituciones y organizaciones gubernamentales de todo el mundo están haciendo todo lo posible por idear soluciones eficientes a este desafío energético. Muchos intentos exitosos también han contribuido a mejorar la situación. 

En medio de todo esto, un grupo de investigadores del MIT ha creado un sensor autoalimentado sin batería capaz de cosechar energía del entorno. Comencemos profundizando y comprendiendo qué significa esta tecnología y por qué es una innovación significativa. 

Sensores autoalimentados sin batería de investigadores del MIT

Estos sensores no requieren baterías recargables o reemplazables. Tampoco necesitan cableado, lo que facilita su colocación en lugares de difícil acceso. Esencialmente, estos sensores son dispositivos sensibles a la temperatura que pueden alimentarse con la energía extraída del campo magnético adyacente a un cable en el aire libre. 

Desplegar estos sensores es tan sencillo como sujetarlos alrededor de un cable que transporta electricidad, como los que alimentan un motor. Una vez sujetos, el despliegue es suficiente para que el dispositivo de detección coseche y almacene energía. Además, el dispositivo puede monitorear la temperatura del motor, así como recopilar datos sobre el consumo de energía y el funcionamiento de la máquina durante un período prolongado.

Según Daniele Monagle, autor principal del estudio que destaca esta innovación como un artículo publicado en IEEE Xplore:

“Hemos presentado un ejemplo de un sensor sin batería que hace algo útil y hemos demostrado que es una solución prácticamente realizable. Ahora, esperamos que otros utilicen nuestro marco para iniciar el diseño de sus sensores.”

Al hablar de la innovación y su valor utilitario, John Donnal, profesor asociado de ingeniería de armas y controles en la Academia Naval de los Estados Unidos, dijo: 

“Los sistemas de captura de energía como este podrían permitir la adaptación de una amplia variedad de sensores de diagnóstico en barcos y reducir significativamente el costo total de mantenimiento.”

Los investigadores creen que esta innovación es un valioso complemento al mundo de la captura de energía porque funciona como una interfaz electrónica de gestión de energía eficiente entre la fuente de captura y la carga del sensor. 

El sistema, durante las pruebas de desarrollo, mostró capacidades exitosas de arranque en frío que utilizan lógica discreta, con mejoras en la captura de energía promedio que alcanzan cerca del 400 % bajo ciertas condiciones de carga de voltaje de la fuente de captura. Funcionó bajo un método de control histéresis que podría atender una carga de sensor de hasta 50 megavatios. 

El trabajo fue parcialmente apoyado por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Grainger. Fundamentalmente, las capacidades de monitoreo y detección de estos dispositivos pueden tener muchas aplicaciones en el mundo del transporte marítimo. 

Por ejemplo, acceder y monitorear la energía en un barco es difícil de realizar, ya que hay un número limitado de tomas y estrictas restricciones respecto al tipo de equipos que pueden conectarse. 

Aunque el barco podría beneficiarse significativamente al medir la vibración de una bomba y obtener información en tiempo real sobre la salud de los rodamientos y soportes, alimentar sensores de adaptación implica construir una infraestructura de inversión pesada. Estos sistemas de sensores autoalimentados hacen posible adaptar una variedad de sensores de diagnóstico en barcos, reduciendo considerablemente el costo de mantenimiento. 

Además, la captura de energía que realizan estos sensores no depende únicamente de los campos magnéticos. Pueden cosechar energía de vibraciones o de la luz solar y podrían ofrecer capacidades para construir redes de sensores integrales para fábricas, almacenes y espacios comerciales a un costo de instalación y mantenimiento muy moderado. 

Todas estas discusiones sobre la captura de energía y la extracción de la energía requerida de campos magnéticos circundantes, vibraciones sonoras o luz solar pueden resonar en quienes están familiarizados con los materiales piezoeléctricos. Pero existen diferencias. 

Haga clic aquí para aprender sobre fuentes de energía sostenibles y sus tasas de adopción.

Los sensores autoalimentados son diferentes de los materiales piezoeléctricos

Los materiales piezoeléctricos pueden generar un voltaje eléctrico cuando se les somete a estrés. Los factores que impulsan la generación de energía pueden ser la flexión, el estiramiento o las vibraciones. Es posible aprovechar estas formas de generar electricidad mediante un dispositivo de energía de ondas. 

La piezoelectricidad también se ha utilizado como tecnología de generación de energía marina. Sin embargo, es diferente de los sistemas de sensores autoalimentados que discutimos aquí porque solo forman parte del sistema. 

El artículo científico que detalla el diseño de gestión de energía para sensores autoalimentados muestra que tiene tres componentes amplios. Está la fuente de captura, el módulo central de gestión de energía y el nodo sensor. 

La piezoelectricidad es una de las fuentes de captura. Podrían existir más fuentes de captura, incluyendo células solares, fuentes CT MEH y fuentes termoeléctricas o triboeléctricas. 

En resumen, un sensor autoalimentado es más que un material piezoeléctrico o el fenómeno de la piezoelectricidad per se. Por lo tanto, los sensores autoalimentados encuentran una variedad de aplicaciones. 

En los próximos segmentos, veremos empresas que fabrican dichos sensores o los utilizan. 

#1. EnOcean: Sensores autoalimentados para edificios seguros

Los sensores inalámbricos autoalimentados de EnOcean extraen energía de la luz ambiental, aprovechando células solares. No solo eso, estos sensores también pueden extraer energía de las más pequeñas diferencias de temperatura. Además de la captura de energía, pueden recopilar datos sin procesar, ayudando al análisis y visualización de la dinámica energética de un edificio inteligente. Asimismo, además de la temperatura, estos sensores obtienen eficientemente información sobre la humedad, la luz y cómo se utilizan los espacios y ciertas habitaciones del edificio.

EnOcean cuenta con una variedad de productos en su portafolio de sensores autoalimentados, incluyendo módulos de sensores inalámbricos de captura de energía, convertidores DC/DC de ultra bajo consumo para captadores de energía térmica, módulos transmisores de contacto magnético de captura de energía y módulos de sensores de temperatura inalámbricos, módulos de sensores de humedad, y más. 

EnOcean posiciona STM 550 como el producto insignia de su familia de sensores autoalimentados. Es un sensor inalámbrico de captura de energía que tiene muchas aplicaciones en edificios digitalizados. Es un producto multisensor que combina cinco sensores diferentes que funcionan con contacto magnético, aceleración, humedad, iluminación y temperatura. 

El sensor viene con una célula solar integrada, que puede cubrir todos los requisitos energéticos operativos. Incluso cuando no hay luz solar disponible, la energía cosechada almacenada internamente garantiza que el sistema permanezca funcional. Finalmente, la interfaz NFC asegura una fácil configurabilidad y acceso mediante un lector NFC, smartphone o tablet. 

Según un documento interno publicado por EnOcean, la compañía registró unos ingresos de US$21 millones y US$23,2 millones en los ejercicios FY 21 y FY 22, respectivamente, sin incluir ingresos de los activos adquiridos. Para FY 23, la compañía proyectó ingresos de US$35 millones. 

La compañía también mostró una sólida cartera de inversores estratégicos y financieros, incluyendo Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens y Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Trabajando hacia un futuro sin baterías

Otra empresa que ha estado trabajando rigurosamente para cumplir con las demandas de un futuro autoalimentado es ONiO. 

Su producto insignia, ONiO.zero, es un pequeño microcontrolador inalámbrico capaz de reemplazar baterías. Está integrado en una diminuta pieza de silicio que posee el circuito eléctrico necesario para acumular las más pequeñas cantidades de energía. 

Este sistema nano‑dimensional puede ejecutar programas, conectarse a sensores externos y comunicarse de forma inalámbrica. Utiliza energía renovable ambiental para alimentar microelectrónicos y lograr una configuración donde los usuarios pueden aprovechar plenamente la energía RF, solar y termoeléctrica en su beneficio. 

ONiO.Zero alimenta muchos dispositivos de microcontrolador, incluido un control remoto sin baterías. Al operar el control remoto, ONiO.zero implementa una interfaz PDM de bajo consumo para conectar micrófonos de bajo consumo. Esta interfaz soporta velocidades de muestreo de 300 kHz a 12 MHz, con soporte adicional para tasa de bits fraccionaria. Además, la integración de un motor táctil capacitivo significa que el control remoto no requiere oscilador interno para su funcionamiento y está completamente auto‑cronometrado. Este diseño le permite operar con un consumo extremadamente bajo y despertar de forma asíncrona al resto del sistema. Además, el oscilador de ultra bajo consumo está diseñado de modo que cualquier pulsación de tecla, de un total de 64 botones, pueda despertar la CPU. 

En julio de 2023, ONiO presentó sus etiquetas electrónicas de estantería sin baterías. Estas son 100 % autoalimentadas y no requieren baterías en absoluto. Las etiquetas tradicionales de estantería usan dos celdas de moneda cada una, y una tienda de conveniencia promedio utiliza cerca de 6 000 de estas etiquetas, lo que resulta en la eliminación frecuente de casi 12 000 celdas de moneda en los océanos y vertederos de una sola tienda. 

Las etiquetas electrónicas de estantería sin baterías y autoalimentadas de ONiO pueden salvar nuestro planeta de los desechos tóxicos generados por millones de baterías. 

La compañía completó sus rondas de financiación pre‑seed, seed y bridge ronda de financiación en 2017, 2018 y 2021, respectivamente, y se espera que complete la Serie A para 2024. Los datos de financiación más recientes indican que la empresa recaudó cerca de 2,5 millones de euros como subvención del Consejo Europeo de Innovación en mayo de 2020. 

#3. Clarity Movement Co.: Aprovechando la tecnología de detección de aire para liderar el movimiento de aire limpio

Con sede en Berkeley, California, Estados Unidos, Clarity Movement Co. ofrece su monitor insignia de partículas y dióxido de nitrógeno llamado Clarity Node‑S. Es una solución autoalimentada que ha obtenido la certificación FCC/CE. En su núcleo, es un sistema IoT de monitoreo de calidad del aire que funciona bajo los principios de captura de energía solar. 

También cuenta con capacidades de gestión de datos de vanguardia que pueden adaptarse a cualquier escala de proyecto. Además de servir como hardware de monitoreo de calidad del aire que mide PM2.5 y dióxido de nitrógeno, Clarity Node‑S también funciona como una plataforma que puede medir viento, carbono negro y ozono. Su panel de control fácil de usar ofrece mediciones de calidad del aire y datos del estado de la red de aire de la manera más accesible posible. 

Clarity Movement ha tenido un total de cinco rondas de financiación hasta la fecha, con la última Serie A el 24 de julio de 2022. Según se informa, la ronda se cerró con US$9,6 millones en fondos recaudados. 

Además de las empresas que fabrican soluciones de sensores autoalimentados sin batería, existen áreas de aplicación que están estudiando su viabilidad y realizando desarrollos en consecuencia. 

De la salud a los sistemas inteligentes de edificios: el uso de sensores autoalimentados

Los sensores se han utilizado en salud, la industria de wearables, el campo de la electrónica personal, automóviles, edificios, monitoreo de alimentos, robótica, monitoreo ambiental y más. Los beneficios de los sensores se han acentuado aún más con los sensores autoalimentados. 

Ahora se está desarrollando la integración de técnicas de aprendizaje automático en sistemas de detección autoalimentados. Los expertos creen que potenciar los sensores autoalimentados con capacidades de ML abrirá vías para un despliegue a gran escala del Internet de las Cosas. 

Se ha llevado a cabo investigación exitosa sobre transmisión óptica inalámbrica autoalimentada para detección de presión. El mundo científico también ha presenciado el desarrollo de brazaletes triboeléctricos de núcleo metálico elastomérico impresos en 3D, sensores de temblor para Parkinson, calcetines inteligentes y sistemas de asistencia al conductor inteligentes, todos los cuales trabajan para aprovechar los sensores autoalimentados. 

En el campo de la salud y aplicaciones biomédicas, han surgido sensores híbridos con técnicas de ML que pueden detectar la energía biomecánica emitida por los movimientos humanos. Estos sensores alimentan dispositivos de rehabilitación de piernas y ayudan con la detección de movimiento biomecánico en la piel y soluciones de detección de presión multifuncional e identificación de gestos humanos. 

El camino por delante para un futuro sin baterías y autoalimentado

Una de las áreas donde los sensores autoalimentados y sin baterías ayudarán enormemente es el despliegue del IoT a escala global. Las estimaciones sugieren que el potencial despliegue masivo de IoT requiere reemplazar mil millones de baterías cada día. Las técnicas de captura de energía definitivamente ayudarán. 

Sin embargo, el futuro de los sensores autoalimentados solo podrá alcanzar su verdadero potencial si logra resolver algunos cuellos de botella. El ámbito de la electrónica debe estar preparado para aceptar y aprovechar eficientemente las pequeñas modalidades de generación de energía que nacen de las técnicas de captura de energía. 

El mundo necesita ver más avances en el desarrollo de dispositivos electrónicos que puedan funcionar eficientemente con bajo consumo de procesamiento activo. La carga superficial que genera la electrificación por contacto debe incrementarse para cosechar energía suficiente que pueda alimentar nuestros gadgets electrónicos cotidianos. Para una aplicación exitosa en actividades de detección de movimiento humano, la gestión eficaz de los datos disponibles también jugará un papel crucial. 

Con estos desafíos adecuadamente abordados, los sensores autoalimentados pueden llegar muy lejos en simplificar y mejorar los sistemas que usamos a diario. Allanará el camino hacia una energía con la menor huella de carbono y sostenible en su esencia.