Siapa yang Membutuhkan Baterai? Sensor Berdaya Sendiri Dapat Menyederhanakan dan Meningkatkan Sistem

Tuntutan energi yang terus meningkat dan bagaimana memenuhinya adalah salah satu masalah paling mendesak yang dihadapi dunia. Tidak hanya volume produksi yang menjadi tantangan yang harus diatasi, tetapi juga sifat produksi harus berkelanjutan dan bebas dari emisi karbon.

Ilmuwan, peneliti, teknolog, lembaga, dan organisasi pemerintah di seluruh dunia berusaha dengan gigih untuk menciptakan solusi efisien untuk tantangan energi ini. Banyak upaya sukses telah membantu memperbaiki skenario serta.

Di tengah-tengah semua ini, sekelompok peneliti MIT telah mengembangkan sensor berdaya sendiri tanpa baterai yang mampu mengumpulkan energi dari lingkungan. Mari kita mulai dengan memahami teknologi ini dan mengapa ini merupakan inovasi yang signifikan.

Sensor Berdaya Sendiri Tanpa Baterai dari Peneliti MIT

Sensor-sensor ini bebas dari kebutuhan baterai yang dapat diisi ulang atau diganti. Mereka juga tidak memerlukan kabel, membuatnya lebih mudah untuk dipasang di tempat yang sulit dijangkau dan diakses. Pada dasarnya, sensor-sensor ini adalah perangkat yang sensitif terhadap suhu yang dapat tumbuh dengan energi yang diambil dari medan magnet sekitar kawat di udara terbuka.

Menggunakan sensor-sensor ini sangat sederhana, cukup dengan mengklipnya di sekitar kawat yang membawa listrik, seperti yang memasok motor. Setelah diklip, pemasangan sudah cukup untuk perangkat sensor untuk mengumpulkan dan menyimpan energi. Selain itu, perangkat ini mampu memantau suhu motor, serta mengumpulkan data tentang konsumsi daya dan operasi mesin selama periode yang lama.

Menurut Daniele Monagle, penulis utama studi yang menyoroti inovasi ini sebagai makalah yang diterbitkan di IEEE Xplore:

“Kami telah memberikan contoh sensor tanpa baterai yang melakukan sesuatu yang berguna dan menunjukkan bahwa ini adalah solusi yang praktis dan dapat diwujudkan. Sekarang, orang lain akan berharap menggunakan kerangka kerja kami untuk memulai desain sensor mereka.”

Saat berbicara tentang inovasi dan nilai utilitasnya, John Donnal, profesor asosiasi teknik senjata dan kontrol di Akademi Angkatan Laut Amerika Serikat, mengatakan:

“Sistem pengumpulan energi seperti ini dapat membuatnya memungkinkan untuk memasang berbagai sensor diagnostik pada kapal dan secara signifikan mengurangi biaya perawatan secara keseluruhan.”

Peneliti percaya bahwa inovasi ini merupakan tambahan yang berharga bagi dunia pengumpulan energi karena bekerja sebagai antarmuka manajemen energi elektronik yang efisien antara sumber pengumpulan dan beban sensor.

Sistem ini, selama pengujian pengembangan, menunjukkan kemampuan start dingin yang sukses yang menggunakan logika diskrit, dengan rata-rata peningkatan pengumpulan daya mencapai hampir 400% di bawah kondisi beban sumber pengumpulan tertentu. Ini bekerja di bawah metode kontrol histeretik yang dapat melayani beban sensor hingga 50 megawatt.

Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut dan Yayasan Grainger. Secara fundamental, kemampuan pemantauan dan penginderaan perangkat ini mungkin memiliki banyak aplikasi di dunia pengiriman.

Misalnya, mengakses dan memantau daya pada kapal sangat sulit dilakukan karena ada jumlah outlet yang terbatas dan ketat yang terkait dengan jenis peralatan yang dapat dicolokkan.

Sementara kapal dapat sangat diuntungkan dengan mengukur getaran pompa, dan dapat memiliki informasi waktu nyata tentang kesehatan bantalan dan mounting, memasang sensor retrofit memerlukan investasi infrastruktur yang berat. Sistem sensor berdaya sendiri ini memungkinkan untuk memasang berbagai sensor diagnostik pada kapal, mengurangi biaya perawatan secara signifikan.

Lebih lagi, pengumpulan energi yang dilakukan sensor-sensor ini tidak hanya bergantung pada medan magnet. Mereka dapat mengumpulkan energi dari getaran atau cahaya matahari dan dapat menawarkan kemampuan untuk membangun jaringan sensor yang komprehensif untuk pabrik, gudang, dan ruang komersial dengan biaya pemasangan dan perawatan yang sangat moderat.

Semua diskusi tentang pengumpulan energi dan mengambil energi yang diperlukan dari medan magnet sekitar, getaran, atau cahaya matahari mungkin mengingatkan mereka yang menyadari bahan piezoelektrik. Tapi ada perbedaan.

Klik di sini untuk mempelajari tentang sumber energi berkelanjutan dan tingkat adopsinya.

Sensor Berdaya Sendiri Berbeda dari Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan tegangan listrik ketika ditempatkan di bawah stres. Faktor penggerak di balik pembangkitan daya bisa berupa peregangan, pengerutan, atau getaran. Ini memungkinkan untuk memanfaatkan cara-cara menghasilkan listrik melalui perangkat energi gelombang.

Piezoelektrisitas juga telah digunakan sebagai teknologi pembangkit listrik laut. Namun, ini berbeda dari sistem sensor berdaya sendiri yang kita bahas di sini karena mereka hanya membentuk bagian dari sistem.

Makalah ilmiah yang merinci desain manajemen energi untuk sensor berdaya sendiri menunjukkan bahwa ada tiga komponen utama di dalamnya. Ada sumber pengumpulan, modul manajemen energi inti, dan node sensor.

Piezoelektrisitas adalah salah satu sumber pengumpulan. Bisa ada sumber pengumpulan lainnya, termasuk sel surya, sumber CT MEH, dan sumber termoelektrik atau triboelektrik.

Secara ringkas, sensor berdaya sendiri lebih dari sekedar bahan piezoelektrik atau fenomena piezoelektrisitas itu sendiri. Dan oleh karena itu, sensor berdaya sendiri menemukan berbagai aplikasi.

Di segmen berikutnya, kita akan melihat perusahaan yang memproduksi sensor semacam itu atau menggunakannya.

#1. EnOcean: Sensor Berdaya Sendiri untuk Bangunan Aman

Sensor nirkabel berdaya sendiri dari EnOcean mengumpulkan energi dari cahaya sekitar, memanfaatkan sel surya. Tidak hanya itu, sensor-sensor ini juga dapat mengekstrak energi dari perbedaan suhu terkecil. Selain pengumpulan energi, mereka juga dapat mengumpulkan data mentah, membantu dalam analisis dan visualisasi dinamika energi bangunan pintar. Selain suhu, sensor-sensor ini juga dapat mengumpulkan informasi tentang kelembaban, cahaya, dan bagaimana ruang dan ruangan tertentu dari bangunan digunakan.

EnOcean memiliki berbagai produk dalam portofolio sensor berdaya sendiri, termasuk modul sensor nirkabel yang mengumpulkan energi, konverter DC/DC ultra-rendah daya untuk pengumpul energi termal, modul transmitter kontak magnetik yang mengumpulkan energi, modul sensor suhu nirkabel, modul sensor kelembaban, dan lain-lain.

EnOcean memposisikan STM 550 sebagai produk unggulan dalam keluarga sensor berdaya sendiri. Ini adalah sensor nirkabel yang mengumpulkan energi yang memiliki banyak aplikasi dalam bangunan digital. Ini adalah produk multisensor yang menggabungkan lima sensor yang berbeda yang bekerja pada kontak magnet, percepatan, kelembaban, iluminasi, dan suhu.

Sensor ini dilengkapi dengan sel surya yang terintegrasi, yang dapat memenuhi semua kebutuhan energi operasional. Bahkan ketika tidak ada cahaya surya yang tersedia, energi yang dikumpulkan yang disimpan secara internal memastikan bahwa sistem tetap berfungsi. Akhirnya, antarmuka NFC memastikan konfigurasi yang mudah dan akses melalui pembaca NFC, smartphone, atau tablet.

Menurut dokumen internal yang diterbitkan oleh EnOcean, perusahaan mencatat pendapatan sebesar US$21 juta dan US$23,2 juta pada FY 21 dan FY 22, masing-masing, tanpa memasukkan pendapatan dari aset yang diperoleh. Untuk FY 23, perusahaan memproyeksikan pendapatan sebesar US$35 juta.

Perusahaan ini juga menampilkan pipa yang kuat dari investor strategis dan keuangan, termasuk Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens, dan Emerald Technology Ventures.

#2. ONiO: Bekerja Menuju Masa Depan Tanpa Baterai

Perusahaan lain yang telah bekerja keras untuk memenuhi tuntutan masa depan berdaya sendiri adalah ONiO.

Produk unggulannya, ONiO.zero, adalah mikrokontroler nirkabel kecil yang dapat menggantikan baterai. Ini ditanam pada sepotong silikon kecil yang memiliki sirkuit listrik yang diperlukan untuk mengumpulkan jumlah energi terkecil.

Sistem nano ini dapat menjalankan program, terhubung ke sensor eksternal, dan berkomunikasi secara nirkabel. Ini menggunakan energi terbarukan sekitar untuk memberdayakan mikroelektronik untuk mencapai pengaturan di mana pengguna dapat sepenuhnya memanfaatkan energi RF, surya, dan termoelektrik untuk keuntungan mereka.

ONiO.Zero memberdayakan banyak perangkat mikrokontroler, termasuk pengendali jarak jauh tanpa baterai. Dalam mengoperasikan pengendali jarak jauh, ONiO.zero mengimplementasikan antarmuka PDM rendah daya untuk menghubungkan mikrofon rendah daya. Antarmuka ini mendukung kecepatan sampling dari 300 KHz hingga 12 MHz, dengan dukungan tambahan untuk bitrate fraksional. Selain itu, integrasi mesin sentuh kapasitif berarti bahwa pengendali jarak jauh tidak memerlukan osilator internal untuk operasi dan sepenuhnya berjamur. Desain ini memungkinkan untuk berjalan pada daya yang sangat rendah dan untuk bangun secara asinkron sistem lainnya. Selain itu, osilator ultra-rendah daya dirancang sehingga setiap tekan tombol, dari total 64 tombol, dapat membangunkan CPU.

Pada Juli 2023, ONiO memperkenalkan label rak elektronik tanpa baterai. Ini 100% berdaya sendiri dan tidak memerlukan baterai sama sekali. Label rak tradisional menggunakan dua shell koin masing-masing, dan toko kelontong rata-rata menggunakan sekitar 6.000 label rak tersebut, yang menghasilkan pembuangan sekitar 12.000 sel koin ke laut dan tempat pembuangan dari satu toko kelontong.

Label rak elektronik tanpa baterai ONiO dapat menyelamatkan planet kita dari limbah beracun yang dihasilkan dari jutaan baterai tersebut.

Perusahaan ini menyelesaikan putaran pendanaan pra-benih, benih, dan jembatan pendanaan pada 2017, 2018, dan 2021, dan diharapkan menyelesaikan Seri A pada 2024. Data pendanaan terbaru menunjukkan bahwa perusahaan mengumpulkan sekitar 2,5 juta Euro sebagai hibah dari Dewan Inovasi Eropa pada Mei 2020.

#3. Clarity Movement Co.: Memanfaatkan Teknologi Pemantauan Udara untuk Memimpin Gerakan Udara Bersih

Berbasis di Berkeley, California, Amerika Serikat, Clarity Movement Co. menawarkan produk unggulannya, Clarity Node-S, yang merupakan monitor partikulat dan nitrogen dioksida. Ini adalah solusi berdaya sendiri yang telah mendapatkan sertifikasi FCC/CE. Pada intinya, ini adalah sistem pemantauan kualitas udara IoT yang bekerja pada prinsip pengumpulan energi surya.

Ini juga memiliki kemampuan manajemen data canggih yang dapat dimodulasi ke skala proyek apa pun. Selain berfungsi sebagai perangkat keras pemantauan kualitas udara yang mengukur PM2,5 dan nitrogen dioksida, Clarity Node-S juga berfungsi sebagai platform yang dapat mengukur Angin, Karbon Hitam, dan Ozon. Dashboard penggunanya menawarkan data pengukuran kualitas udara dan status jaringan dalam cara yang paling dapat diakses.

Clarity Movement telah memiliki lima putaran pendanaan hingga saat ini, dengan putaran terakhir seri A pada 24 Juli 2022. Dilaporkan, putaran tersebut ditutup dengan US$9,6 juta dalam dana yang dikumpulkan.

Selain perusahaan yang memproduksi solusi sensor berdaya sendiri, ada area aplikasi yang mempelajari kelayakan dan membuat perkembangan sesuai.

Dari Perawatan Kesehatan hingga Membangun Sistem Pintar: Penggunaan Sensor Berdaya Sendiri

Sensor telah menemukan penggunaan dalam perawatan kesehatan, industri yang dapat dikenakan, bidang elektronik pribadi, mobil, bangunan, pemantauan makanan, robotika, pemantauan lingkungan, dan lain-lain. Manfaat sensor telah ditekankan lebih lanjut oleh sensor berdaya sendiri.

Sekarang, ada perkembangan yang terjadi sekitar integrasi teknik pembelajaran mesin ke dalam sistem penginderaan berdaya sendiri. Ahli percaya bahwa meningkatkan sensor berdaya sendiri dengan kemampuan ML akan membuka jalur untuk penerapan Internet of Things skala besar.

Penelitian sukses telah dilakukan sekitar transmisi optik nirkabel berdaya sendiri untuk deteksi tekanan nirkabel. Dunia ilmiah juga telah menyaksikan perkembangan pita pergelangan tangan triboelektrik elastomer 3D yang dicetak, sensor getaran untuk Parkinson, kaus kaki pintar, dan sistem bantuan pengemudi pintar – semuanya bekerja untuk memanfaatkan sensor berdaya sendiri.

Dalam bidang perawatan kesehatan dan aplikasi biomedis, sensor hibrida dengan teknik ML yang dapat mendeteksi energi biomekanik yang dipancarkan oleh gerakan manusia telah muncul. Sensor-sensor ini memberdayakan perangkat rehabilitasi kaki dan membantu dengan gerakan biomekanik yang dipicu kulit dan pengenalan gerakan manusia multifungsi.

Jalan Menuju Masa Depan Tanpa Baterai, Berdaya Sendiri

Salah satu area di mana sensor berdaya sendiri tanpa baterai akan sangat membantu adalah penerapan IoT skala global. Perkiraan menunjukkan bahwa penerapan IoT skala besar memerlukan penggantian satu miliar baterai setiap hari. Teknik pengumpulan energi pasti akan membantu.

Namun, masa depan sensor berdaya sendiri hanya dapat mencapai potensinya jika berhasil memecahkan beberapa hambatan. Dunia elektronik harus siap untuk menerima dan memanfaatkan modalitas pembangkit daya kecil yang dihasilkan oleh teknik pengumpulan energi.

Dunia memerlukan kemajuan lebih lanjut dalam mengembangkan perangkat elektronik yang dapat berjalan secara efisien dengan daya pemrosesan aktif yang rendah. Muatan permukaan yang dihasilkan oleh elektrifikasi kontak harus meningkat untuk mengumpulkan energi yang cukup untuk memberdayakan perangkat elektronik sehari-hari. Untuk aplikasi yang sukses dalam deteksi gerakan manusia, manajemen data yang efektif juga akan memainkan peran kunci.

Dengan tantangan ini yang secara memadai diatasi, sensor berdaya sendiri dapat mempermudah dan meningkatkan sistem yang kita gunakan sehari-hari. Ini akan membuka jalan bagi energi yang memiliki jejak karbon terkecil dan berkelanjutan di intinya.