Chi ha bisogno delle batterie? I sensori autoalimentati possono semplificare e migliorare i sistemi

La crescente domanda di energia e il modo di soddisfarla è una delle preoccupazioni più urgenti che il mondo deve affrontare. Non solo il volume della produzione è una sfida che richiede attenzione, ma la natura della produzione deve essere sostenibile e priva di emissioni di carbonio. 

Scienziati, ricercatori, tecnologi, istituzioni e organizzazioni governative di tutto il mondo stanno facendo del loro meglio per ideare soluzioni efficienti a questa sfida energetica. Molti tentativi di successo hanno contribuito a migliorare lo scenario. 

Tra tutti questi, un gruppo di ricercatori del MIT ha ideato un sensore autoalimentato, senza batterie capace di raccogliere energia dall’ambiente. Iniziamo approfondendo e comprendendo cosa significhi questa tecnologia e perché rappresenti un’innovazione significativa. 

Sensori autoalimentati, senza batterie, dei ricercatori del MIT

Questi sensori non richiedono batterie ricaricabili o sostituibili. Non necessitano nemmeno di cablaggi, il che li rende più facili da posizionare in luoghi difficili da raggiungere e accedere. In sostanza, questi sensori sono dispositivi sensibili alla temperatura che possono funzionare grazie all’energia prelevata dal campo magnetico adiacente a un filo nell’aria aperta. 

Il dispiegamento di questi sensori è semplice come agganciarli attorno a un filo che trasporta elettricità, come quelli che alimentano un motore. Una volta agganciati, il posizionamento è sufficiente perché il dispositivo di rilevamento possa sia raccogliere che immagazzinare energia. Inoltre, il dispositivo è in grado di monitorare la temperatura del motore, nonché di raccogliere dati sul consumo energetico e sul funzionamento della macchina per un periodo prolungato.

Secondo Daniele Monagle, autore principale dello studio che evidenzia questa innovazione come articolo pubblicato su IEEE Xplore:

“Abbiamo fornito un esempio di sensore senza batterie che svolge una funzione utile e dimostrato che è una soluzione praticamente realizzabile. Ora, speriamo che altri utilizzino il nostro framework per avviare la progettazione dei propri sensori.”

Parlando dell’innovazione e del suo valore pratico, John Donnal, professore associato di ingegneria delle armi e dei controlli presso l’Accademia Navale degli Stati Uniti, ha dichiarato: 

“I sistemi di raccolta energia come questo potrebbero rendere possibile il retrofit di una vasta gamma di sensori diagnostici sulle navi e ridurre significativamente il costo complessivo della manutenzione.”

I ricercatori ritengono che questa innovazione sia un prezioso complemento al mondo della raccolta di energia perché funge da interfaccia elettronica di gestione energetica efficiente tra la sorgente di raccolta e il carico del sensore. 

Il sistema, durante i test di sviluppo, ha mostrato capacità di avvio a freddo di successo che utilizzano logica discreta, con miglioramenti della potenza media raccolta che raggiungono quasi il 400% in determinate condizioni di carico di tensione della sorgente di raccolta. Ha funzionato con un metodo di controllo isteretico che poteva alimentare un carico di sensore fino a 50 megawatt. 

Il lavoro è stato parzialmente finanziato dall’Ufficio di Ricerca Navale e dalla Fondazione Grainger. Fondamentalmente, le capacità di monitoraggio e rilevamento di questi dispositivi potrebbero avere molte applicazioni nel settore marittimo. 

Ad esempio, accedere e monitorare l’energia su una nave è difficile da realizzare poiché vi sono un numero limitato di prese e restrizioni rigorose relative al tipo di apparecchiature che possono essere collegate. 

Mentre la nave potrebbe beneficiare notevolmente dalla misurazione delle vibrazioni di una pompa, ottenendo informazioni in tempo reale sulla salute dei cuscinetti e dei supporti, alimentare i sensori retrofit richiede la costruzione di infrastrutture ad alto investimento. Questi sistemi di sensori autoalimentati rendono possibile il retrofit di una gamma di sensori diagnostici sulle navi, riducendo significativamente i costi di manutenzione. 

Inoltre, la raccolta di energia che questi sensori effettuano non dipende solo dai campi magnetici. Possono raccogliere energia da vibrazioni o dalla luce solare e potrebbero offrire la possibilità di costruire reti di sensori complete per fabbriche, magazzini e spazi commerciali a costi di installazione e manutenzione molto moderati. 

Tutte queste discussioni sulla raccolta di energia e sull’estrazione dell’energia necessaria da campi magnetici circostanti, vibrazioni sonore o luce solare possono suonare familiari a chi conosce i materiali piezoelettrici. Ma ci sono differenze. 

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I sensori autoalimentati sono diversi dai materiali piezoelettrici

I materiali piezoelettrici possono generare una tensione elettrica quando sono sottoposti a stress. I fattori scatenanti della generazione di energia possono essere piegature, stiramenti o vibrazioni. È possibile sfruttare questi metodi di generazione di elettricità attraverso un dispositivo di energia ondulatoria. 

La piezoelettricità è stata anche utilizzata come tecnologia di generazione di energia marina. Tuttavia, è diversa dai sistemi di sensori autoalimentati di cui discutiamo qui perché costituisce solo una parte del sistema. 

Il documento scientifico che dettaglia il design di gestione energetica per i sensori autoalimentati mostra che ci sono tre componenti principali. C’è la sorgente di raccolta, il modulo centrale di gestione energetica e il nodo sensore. 

La piezoelettricità è una delle sorgenti di raccolta. Potrebbero esserci altre sorgenti di raccolta, tra cui celle solari, fonti CT MEH e fonti termoelettriche o triboelettriche. 

In sintesi, un sensore autoalimentato è più di un materiale piezoelettrico o del fenomeno della piezoelettricità in sé. Pertanto, i sensori autoalimentati trovano una vasta gamma di applicazioni. 

Nelle sezioni successive, esamineremo le aziende che producono tali sensori o li utilizzano. 

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

I sensori wireless autoalimentati di EnOcean raccolgono energia dalla luce ambientale, sfruttando celle solari. Non solo, questi sensori sono anche in grado di estrarre energia dalle più piccole differenze di temperatura. Oltre alla raccolta di energia, possono anche raccogliere dati grezzi, facilitando l’analisi e la visualizzazione della dinamica energetica di un edificio intelligente. Inoltre, oltre alla temperatura, questi sensori acquisiscono efficientemente informazioni su umidità, luce e su come lo spazio e alcune stanze dell’edificio vengano utilizzati.

EnOcean dispone di una varietà di prodotti nella sua gamma di sensori autoalimentati, inclusi moduli sensori wireless a raccolta di energia, convertitori DC/DC a ultra bassa potenza per raccoglitori di energia termica, moduli trasmittitori di contatto magnetico a raccolta di energia e moduli sensori di temperatura wireless, moduli sensori di umidità e altro ancora. 

EnOcean posiziona STM 550 come prodotto di punta nella sua famiglia di sensori autoalimentati. È un sensore wireless a raccolta di energia che ha molte applicazioni negli edifici digitalizzati. È un prodotto multisensore che combina cinque diversi sensori che operano su contatto magnetico, accelerazione, umidità, illuminazione e temperatura. 

Il sensore è dotato di una cella solare integrata, che può soddisfare tutti i requisiti energetici operativi. Anche in assenza di luce solare, l’energia raccolta e immagazzinata internamente garantisce che il sistema rimanga funzionante. Infine, l’interfaccia NFC assicura una facile configurabilità e accesso tramite lettore NFC, smartphone o tablet. 

Secondo un documento interno pubblicato da EnOcean, l’azienda ha registrato un fatturato di 21 milioni di dollari negli FY 21 e 23,2 milioni di dollari negli FY 22, rispettivamente, senza includere alcun reddito derivante da asset acquisiti. Per FY 23, l’azienda prevede un fatturato di 35 milioni di dollari. 

L’azienda ha inoltre mostrato un solido pipeline di investitori strategici e finanziari, tra cui Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens ed Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Working Towards a Batteryless Future

Un’altra azienda che ha lavorato intensamente per soddisfare le esigenze di un futuro autoalimentato è ONiO. 

Il suo prodotto di punta, ONiO.zero, è un piccolo microcontrollore wireless in grado di sostituire le batterie. È integrato su un minuscolo pezzo di silicio che contiene il circuito elettrico necessario per accumulare le più piccole quantità di energia. 

Questo sistema nano-dimensionato può eseguire programmi, connettersi a sensori esterni e comunicare wireless. Utilizza energia rinnovabile ambientale per alimentare la microelettronica, consentendo agli utenti di sfruttare pienamente energia RF, solare e termoelettrica a loro vantaggio. 

ONiO.Zero alimenta molti dispositivi microcontrollore, incluso un telecomando senza batterie. Nell’operare il telecomando, ONiO.zero implementa un’interfaccia PDM a basso consumo per collegare microfoni a basso consumo. Questa interfaccia supporta velocità di campionamento da 300 KHz a 12 MHz, con supporto aggiuntivo per bitrate frazionario. Inoltre, l’integrazione di un motore touch capacitivo significa che il telecomando non richiede un oscillatore interno per il funzionamento ed è interamente auto-cronizzato. Questo design gli consente di funzionare a potenza estremamente bassa e di svegliare in modo asincrono il resto del sistema. Inoltre, l’oscillatore ultra a bassa potenza è progettato in modo che qualsiasi pressione di tasto, su un totale di 64 pulsanti, possa riattivare la CPU. 

Nel luglio 2023, ONiO ha presentato le sue etichette elettroniche da scaffale senza batterie. Queste sono al 100% autoalimentate e non richiedono batterie. Le etichette tradizionali utilizzano due celle a bottone ciascuna, e un negozio di convenienza medio utilizza circa 6.000 di queste etichette, con conseguente smaltimento frequente di quasi 12.000 celle a bottone negli oceani e nelle discariche da un singolo negozio. 

Le etichette da scaffale elettroniche senza batterie e autoalimentate di ONiO possono salvare il nostro pianeta dai rifiuti tossici generati da milioni di batterie. 

L’azienda ha completato i round di finanziamento pre-seed, seed e bridge di finanziamento nel 2017, 2018 e 2021, rispettivamente, e si prevede che completi il round Series A entro il 2024. I dati di finanziamento più recenti indicano che l’azienda ha raccolto quasi 2,5 milioni di Euro come sovvenzione dal Consiglio Europeo per l’Innovazione a maggio 2020. 

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

Con sede a Berkeley, California, Stati Uniti, Clarity Movement Co. offre il suo monitor di particolato e biossido di azoto di punta, chiamato Clarity Node-S. È una soluzione autoalimentata che ha ottenuto la certificazione FCC/CE. Alla base, è un sistema IoT di monitoraggio della qualità dell’aria che funziona sui principi della raccolta di energia solare. 

Dispone inoltre di capacità di gestione dei dati all’avanguardia che possono essere modulate a qualsiasi scala di progetto. Oltre a fungere da hardware di monitoraggio della qualità dell’aria che misura PM2.5 e biossido di azoto, Clarity Node-S serve anche come piattaforma che può misurare vento, carbonio nero e ozono. Il suo cruscotto intuitivo offre misurazioni della qualità dell’aria e dati sullo stato della rete dell’aria nel modo più accessibile possibile. 

Clarity Movement ha avuto un totale di cinque round di finanziamento finora, con l’ultimo Series A, il 24 luglio 2022. Si dice che il round sia stato chiuso per 9,6 milioni di dollari USA di fondi raccolti. 

Oltre alle aziende che producono soluzioni di sensori senza batterie e autoalimentati, ci sono aree di applicazione che stanno studiando la loro fattibilità e facendo sviluppi di conseguenza. 

Dalla sanità ai sistemi intelligenti per edifici: l’uso dei sensori autoalimentati

I sensori hanno trovato impiego nella sanità, nell’industria dei dispositivi indossabili, nel campo dell’elettronica personale, nelle automobili, negli edifici, nel monitoraggio alimentare, nella robotica, nel monitoraggio ambientale e altro ancora. I vantaggi dei sensori sono stati ulteriormente accentuati dai sensori autoalimentati. 

Ora, si sta sviluppando l’integrazione di tecniche di apprendimento automatico nei sistemi di rilevamento autoalimentati. Gli esperti credono che l’arricchimento dei sensori autoalimentati con capacità di ML aprirà nuove opportunità per una distribuzione su larga scala dell’Internet delle Cose. 

Sono state condotte ricerche di successo sui sensori wireless autoalimentati per trasmissione ottica per la rilevazione di pressione wireless. Il mondo scientifico ha anche assistito allo sviluppo di braccialetti triboelettrici a nucleo metallico stampati in 3D, sensori di tremore per il Parkinson, calzini intelligenti e sistemi di assistenza alla guida intelligenti, tutti finalizzati a sfruttare i sensori autoalimentati. 

Nel campo della sanità e delle applicazioni biomediche, sono emersi sensori ibridi con tecniche di ML che possono rilevare l’energia biomeccanica emessa dai movimenti umani. Questi sensori alimentano dispositivi di riabilitazione della gamba e aiutano con il rilevamento di movimento biomeccanico sulla pelle, la pressione multifunzionale e le soluzioni di identificazione dei gesti umani. 

Il futuro per un futuro senza batterie e autoalimentato

Uno dei settori in cui i sensori autoalimentati e senza batterie aiuteranno enormemente è la distribuzione dell’IoT su scala globale. Le stime suggeriscono che una potenziale distribuzione su larga scala dell’IoT richieda la sostituzione di un miliardo di batterie ogni giorno. Le tecniche di raccolta di energia sicuramente aiuteranno. 

Tuttavia, il futuro dei sensori autoalimentati potrà raggiungere il suo vero potenziale solo se riuscirà a risolvere alcuni colli di bottiglia. Il settore dell’elettronica deve diventare pronto ad accettare e sfruttare efficientemente le piccole modalità di generazione di potenza che le tecniche di raccolta di energia generano. 

Il mondo deve vedere più progressi nello sviluppo di dispositivi elettronici che possano funzionare efficientemente con bassa potenza di elaborazione attiva. La carica superficiale generata dall’elettrificazione da contatto deve aumentare per raccogliere energia sufficiente a alimentare i nostri gadget elettronici di uso quotidiano. Per un’applicazione di successo nelle attività di rilevamento del movimento umano, anche la gestione efficace dei dati disponibili giocherà un ruolo cruciale. 

Con queste sfide adeguatamente affrontate, i sensori autoalimentati possono fare grandi progressi nel semplificare e migliorare i sistemi che utilizziamo quotidianamente. Apriranno la strada a un’energia con la più bassa impronta di carbonio e sostenibile alla sua base.