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

Permintaan energi yang terus meningkat dan cara memenuhinya merupakan salah satu kekhawatiran paling mendesak yang dihadapi dunia. Tidak hanya volume produksi menjadi tantangan yang perlu diatasi, tetapi sifat produksi juga harus berkelanjutan dan bebas dari emisi karbon.

Ilmuwan, peneliti, teknolog, institusi, dan organisasi pemerintah di seluruh dunia berusaha sebaik mungkin untuk merancang solusi efisien bagi tantangan energi ini. Banyak upaya yang berhasil telah membantu memperbaiki situasi.

Di tengah semua ini, sekelompok peneliti MIT telah menghasilkan sebuah sensor tanpa baterai, yang ditenagai sendiri yang mampu memanen energi dari lingkungan. Mari kita mulai dengan menyelami lebih dalam dan memahami apa arti teknologi ini serta mengapa ia merupakan inovasi penting.

Sensor Tanpa Baterai, Ditenagai Sendiri dari Peneliti MIT

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

Pemasangan sensor-sensor ini semudah menjepitnya di sekitar kawat yang membawa listrik, seperti yang menggerakkan motor. Setelah dijepit, pemasangan sudah cukup bagi perangkat sensor untuk memanen dan menyimpan energi. Selain itu, perangkat ini dapat memantau suhu motor, serta mengumpulkan data tentang konsumsi daya dan operasi mesin selama periode yang panjang.

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

“Kami telah memberikan contoh sensor tanpa baterai yang melakukan sesuatu yang berguna dan menunjukkan bahwa itu merupakan solusi yang dapat direalisasikan secara praktis. Sekarang, diharapkan orang lain akan menggunakan kerangka kerja kami untuk memulai merancang sensor mereka.”

Saat membicarakan inovasi dan nilai kegunaannya, John Donnal, associate professor bidang senjata dan kontrol teknik di United States Naval Academy, berkata: 

“Sistem pemanen energi seperti ini dapat memungkinkan pemasangan kembali berbagai sensor diagnostik di kapal dan secara signifikan mengurangi biaya pemeliharaan secara keseluruhan.”

Para peneliti percaya bahwa inovasi ini merupakan tambahan berharga bagi dunia pemanen energi karena berfungsi sebagai antarmuka manajemen energi elektronik yang efisien antara sumber pemanen dan beban sensor.

Sistem ini, selama pengujian pengembangan, menunjukkan kemampuan cold-start yang berhasil menggunakan logika diskrit, dengan peningkatan rata-rata pemanen daya mendekati 400% pada kondisi beban tegangan pemanen tertentu. Sistem ini beroperasi dengan metode kontrol histeresis yang dapat melayani beban sensor hingga 50 megawatt.

Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Office of Naval Research dan The Grainger Foundation. Pada dasarnya, kemampuan pemantauan dan sensor pada perangkat ini dapat memiliki banyak aplikasi di dunia pelayaran.

Sebagai contoh, mengakses dan memantau daya di kapal sulit dilakukan karena terdapat jumlah outlet yang terbatas dan pembatasan ketat terkait jenis peralatan yang dapat dicolokkan.

Meskipun kapal dapat sangat diuntungkan dengan mengukur getaran pompa, dan memperoleh informasi waktu nyata tentang kesehatan bantalan serta penopang, memberi daya pada sensor retrofit memerlukan infrastruktur investasi berat. Sistem sensor yang ditenagai sendiri ini memungkinkan pemasangan kembali berbagai sensor diagnostik di kapal, sehingga secara signifikan menurunkan biaya pemeliharaan.

Selain itu, pemanen energi yang dilakukan sensor-sensor ini tidak hanya bergantung pada medan magnet. Mereka dapat memanen energi dari getaran atau sinar matahari dan dapat menawarkan kemampuan untuk membangun jaringan sensor yang lengkap untuk pabrik, gudang, dan ruang komersial dengan biaya instalasi dan pemeliharaan yang sangat moderat.

Semua diskusi ini tentang pemanen energi dan penarikan energi yang diperlukan dari medan magnet sekitar, getaran suara, atau sinar matahari mungkin mengingatkan mereka yang mengetahui bahan piezoelektrik. Namun ada perbedaan.

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

Sensor Ditenagai Sendiri Berbeda dari Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan tegangan listrik ketika dikenai tekanan. Faktor-faktor yang mendorong pembangkitan daya dapat berupa pembengkokan, peregangan, atau getaran. Dimungkinkan untuk memanfaatkan cara-cara menghasilkan listrik ini melalui perangkat energi gelombang.

Piezoelektrisitas juga telah digunakan sebagai teknologi pembangkit listrik laut. Namun, hal ini berbeda dari sistem sensor yang ditenagai sendiri yang kami bahas di sini karena mereka hanya menjadi bagian dari sistem.

 Makalah ilmiah yang merinci desain manajemen energi untuk sensor yang ditenagai sendiri menunjukkan bahwa ada tiga komponen utama. Terdapat sumber pemanen, modul inti manajemen energi, dan node sensor.

Piezoelektrisitas adalah salah satu sumber pemanen. Bisa ada lebih banyak sumber pemanen seperti sel surya, sumber CT MEH, serta sumber termoelektrik atau triboelektrik.

Secara singkat, sensor yang ditenagai sendiri lebih dari sekadar bahan piezoelektrik atau fenomena piezoelektrisitas itu sendiri. Oleh karena itu, sensor yang ditenagai sendiri menemukan berbagai aplikasi.

Pada segmen berikutnya, kami akan melihat perusahaan-perusahaan yang memproduksi sensor semacam itu atau menggunakannya.

#1. EnOcean: Sensor Ditenagai Sendiri untuk Bangunan Aman

Sensor nirkabel yang ditenagai sendiri dari EnOcean mengambil energi dari cahaya ambient, memanfaatkan sel surya. Tidak hanya itu, sensor-sensor ini juga mampu mengekstrak energi dari perbedaan suhu terkecil. Selain pemanen energi, mereka juga dapat mengumpulkan data mentah, membantu analisis dan visualisasi dinamika energi pada bangunan pintar. Lebih lagi, selain suhu, sensor-sensor ini secara efisien memperoleh informasi tentang kelembapan, cahaya, serta bagaimana ruang dan ruangan tertentu dalam bangunan digunakan.

EnOcean memiliki berbagai produk dalam portofolio sensor yang ditenagai sendiri, termasuk modul sensor nirkabel yang memanen energi, konverter DC/DC ultra-rasio rendah untuk pemanen energi termal, modul pemancar kontak magnetik yang memanen energi, modul sensor suhu nirkabel, modul sensor kelembapan, dan lainnya.

EnOcean menempatkan STM 550 sebagai produk unggulan dalam keluarga sensor yang ditenagai sendiri. Ini adalah sensor nirkabel yang memanen energi dan memiliki banyak aplikasi di bangunan digital. Produk multisensor ini menggabungkan lima sensor berbeda yang bekerja pada kontak magnet, percepatan, kelembapan, iluminasi, dan suhu.

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

Menurut dokumen internal yang dipublikasikan oleh EnOcean, perusahaan mencatat pendapatan sebesar US$21 juta dan US$23,2 juta pada FY 21 dan FY 22, masing-masing, tanpa menyertakan pendapatan dari aset yang diakuisisi. Untuk FY 23, perusahaan memperkirakan pendapatan sebesar US$35 juta.

Perusahaan juga menampilkan jalur kuat 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 yang ditenagai sendiri adalah ONiO.

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

Sistem berukuran nano ini dapat mengeksekusi program, terhubung ke sensor eksternal, dan berkomunikasi secara nirkabel. Ia memanfaatkan energi terbarukan ambient untuk memberi daya pada mikroelektronik guna mencapai konfigurasi di mana pengguna dapat memanfaatkan sepenuhnya energi RF, surya, dan termoelektrik untuk keuntungan mereka.

ONiO.Zero memberi daya pada banyak perangkat mikrokontroler, termasuk remote control tanpa baterai. Dalam mengoperasikan remote control, ONiO.zero menerapkan antarmuka PDM berdaya rendah untuk menghubungkan mikrofon berdaya rendah. Antarmuka ini mendukung kecepatan sampling dari 300 KHz hingga 12 MHz, dengan dukungan tambahan untuk bitrate fraksional. Selanjutnya, integrasi mesin sentuh kapasitif berarti remote tidak memerlukan osilator internal untuk beroperasi dan sepenuhnya berjam sendiri. Desain ini memungkinkan ia berjalan dengan daya sangat rendah dan secara asinkron membangunkan sisa sistem. Selain itu, osilator ultra-berdaya rendah dirancang sehingga setiap penekanan tombol, dari total 64 tombol, dapat membangunkan CPU.

Pada Juli 2023, ONiO meluncurkan label rak elektronik tanpa baterai. Produk ini 100% ditenagai sendiri dan tidak memerlukan baterai sama sekali. Label rak tradisional menggunakan dua sel koin masing-masing, dan toko serba ada rata-rata menggunakan hampir 6.000 label rak tersebut, yang menghasilkan pembuangan hampir 12.000 sel koin ke laut dan tempat pembuangan akhir dari satu toko serba ada.

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

Perusahaan menyelesaikan putaran pendanaan pra-bibit, bibit, dan jembatan round of funding pada tahun 2017, 2018, dan 2021, masing-masing, dan diperkirakan akan menyelesaikan Seri A pada 2024. Data pendanaan terbaru menunjukkan bahwa perusahaan mengumpulkan hampir 2,5 juta Euro sebagai hibah dari European Innovation Council pada Mei 2020.

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

Berbasis di Berkeley, California, Amerika Serikat, Clarity Movement Co. menawarkan monitor partikel dan nitrogen dioksida unggulannya bernama Clarity Node-S. Ini adalah solusi yang ditenagai sendiri yang telah memperoleh sertifikasi FCC/CE. Pada intinya, ini adalah sistem pemantauan kualitas udara IoT yang beroperasi berdasarkan prinsip pemanen energi surya.

Ia juga memiliki kemampuan manajemen data mutakhir yang dapat disesuaikan untuk skala proyek apa pun. Selain berfungsi sebagai perangkat keras pemantauan kualitas udara yang mengukur PM2.5 dan nitrogen-di-oksida, Clarity Node-S juga berfungsi sebagai platform yang dapat mengukur Angin, Karbon Hitam, dan Ozon. Dasbor yang ramah pengguna menawarkan pengukuran kualitas udara dan data status jaringan udara dengan cara yang paling mudah diakses.

Clarity Movement telah menjalani total lima putaran pendanaan sejauh ini, dengan Seri A terbaru pada 24 Juli 2022. Dilaporkan, putaran tersebut ditutup dengan penggalangan dana sebesar US$9,6 juta.

Selain perusahaan-perusahaan yang memproduksi solusi sensor tanpa baterai dan ditenagai sendiri, terdapat bidang aplikasi yang mempelajari kelayakannya dan mengembangkan sesuai.

Dari Perawatan Kesehatan hingga Membangun Sistem Cerdas: Penggunaan Sensor Ditenagai Sendiri

Sensor telah digunakan dalam perawatan kesehatan, industri pakaian yang dapat dipakai, bidang elektronik pribadi, otomotif, bangunan, pemantauan makanan, robotika, pemantauan lingkungan, dan lainnya. Manfaat sensor semakin ditingkatkan oleh sensor yang ditenagai sendiri.

Saat ini, sedang berkembang upaya mengintegrasikan teknik pembelajaran mesin ke dalam sistem sensor yang ditenagai sendiri. Para ahli percaya bahwa menambahkan kemampuan ML pada sensor yang ditenagai sendiri akan membuka jalan bagi penyebaran Internet of Things secara skala besar.

Penelitian sukses telah dilakukan mengenai transmisi optik nirkabel untuk deteksi tekanan nirkabel. Dunia ilmiah juga menyaksikan pengembangan gelang pergelangan tangan triboelektrik berinti logam yang dicetak 3D, sensor tremor untuk Parkinson, kaus kaki pintar, dan sistem bantuan pengemudi cerdas — semuanya bekerja untuk memanfaatkan sensor yang ditenagai sendiri.

Di 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 memberi daya pada perangkat rehabilitasi kaki dan membantu dengan gerakan biomekanik yang dipicu pada kulit serta solusi sensor tekanan multifungsi dan identifikasi gerakan manusia.

Jalan ke Depan untuk Masa Depan Tanpa Baterai, Ditenagai Sendiri

Salah satu bidang di mana sensor yang ditenagai sendiri dan tanpa baterai akan sangat membantu adalah penyebaran IoT secara global. Perkiraan menunjukkan bahwa penyebaran IoT berskala besar berpotensi membutuhkan penggantian satu miliar baterai setiap hari. Teknik pemanen energi tentu akan membantu.

Namun, masa depan sensor yang ditenagai sendiri hanya dapat mencapai potensi sejatinya jika berhasil mengatasi beberapa kendala. Dunia elektronik harus siap secara efisien menerima dan memanfaatkan modalitas generasi daya kecil yang lahir dari teknik pemanen energi.

Dunia perlu melihat lebih banyak kemajuan dalam mengembangkan perangkat elektronik yang dapat berjalan secara efisien dengan daya pemrosesan aktif rendah. Muatan permukaan yang dihasilkan oleh elektrifikasi kontak harus meningkat untuk memanen energi yang cukup yang dapat memberi daya pada perangkat elektronik sehari-hari kita. Untuk aplikasi yang berhasil dalam aktivitas deteksi gerakan manusia, manajemen data yang efektif juga akan memainkan peran penting.

Dengan tantangan-tantangan ini ditangani dengan baik, sensor yang ditenagai sendiri dapat sangat menyederhanakan dan meningkatkan sistem yang kita gunakan setiap hari. Hal ini akan membuka jalan bagi energi dengan jejak karbon paling rendah dan berkelanjutan pada intinya.