Hvem trenger batterier? Selvforsynte sensorer kan forenkle og forbedre systemer

Den økende energietterspørselen og hvordan man skal møte den er en av de mest presserende utfordringene verden står overfor. Ikke bare er produksjonsvolumet en utfordring som krever oppmerksomhet, men produksjonens natur må også være bærekraftig og fri for karbonutslipp. 

Forskere, forskningspersonell, teknikere, institusjoner og offentlige organisasjoner over hele verden gjør sitt beste for å utvikle effektive løsninger på denne energikrisen. Mange vellykkede forsøk har også bidratt til å forbedre situasjonen. 

Midt i alt dette har en gruppe forskere fra MIT utviklet en batterifri, selvforsynt sensor som kan hente energi fra omgivelsene. La oss begynne med å gå dypere inn i hva denne teknologien innebærer og hvorfor den er en betydningsfull innovasjon. 

Batterifrie, selvforsynte sensorer fra MIT-forskere

Disse sensorene krever verken oppladbare eller utskiftbare batterier. De trenger heller ikke ledninger, noe som gjør dem enklere å plassere på steder som er vanskelige å nå. I hovedsak er disse sensorene temperaturfølsomme enheter som kan leve av energi hentet fra det tilstøtende magnetfeltet rundt en ledning i åpen luft. 

Å installere disse sensorene er så enkelt som å klipse dem rundt en strømførende ledning, for eksempel de som driver en motor. Når de er klippet på, er installasjonen tilstrekkelig for at sensoren både kan hente og lagre energi. I tillegg kan enheten overvåke motorens temperatur, samt samle inn data om maskinens strømforbruk og drift over en lengre periode.

Ifølge Daniele Monagle, hovedforfatteren av studien som fremhever denne innovasjonen som et publisert papir i IEEE Xplore:

“Vi har gitt et eksempel på en batterifri sensor som gjør noe nyttig og vist at den er en praktisk realiserbar løsning. Nå vil andre forhåpentligvis bruke vårt rammeverk for å sette i gang designet av sine sensorer.”

Når han snakker om innovasjonen og dens nytteverdi, sa John Donnal, førsteamanuensis i våpen- og kontrollteknikk ved United States Naval Academy: 

“Energihøste systemer som dette kan gjøre det mulig å ettermontere et bredt spekter av diagnostiske sensorer på skip og betydelig redusere de totale vedlikeholdskostnadene.”

Forskerne mener at denne innovasjonen er et verdifullt tillegg til energihøstingens verden fordi den fungerer som et effektivt elektronisk energistyringsgrensesnitt mellom høstekilden og sensorbelastningen. 

Systemet viste under utviklingstesting vellykkede kaldstartkapasiteter som bruker diskret logikk, med gjennomsnittlige kraftinnhentingsforbedringer som nådde nesten 400 % under visse spenningsbelastningsforhold for høsteren. Det fungerte under en hysterisk kontrollmetode som kunne betjene en sensorbelastning på opptil 50 megawatt. 

Arbeidet ble delvis støttet av Office of Naval Research og The Grainger Foundation. I grunnleggende forstand kan overvåkings- og sensorkapasitetene til disse enhetene ha mange anvendelser innen skipsfart. 

For eksempel er det vanskelig å få tilgang til og overvåke strøm på et skip, da det er et begrenset antall uttak og strenge restriksjoner på hvilken type utstyr som kan kobles til. 

Selv om skipet kunne ha stor nytte av å måle vibrasjonen i en pumpe, og kunne få sanntidsinformasjon om tilstanden til lagrene og monteringer, er det kostbart å bygge infrastruktur for å forsyne ettermonterte sensorer med strøm. Disse selvforsynte sensorsystemene gjør det mulig å ettermontere en rekke diagnostiske sensorer på skip, og reduserer vedlikeholdskostnadene betydelig. 

I tillegg er energihøstingen som disse sensorene utfører ikke kun avhengig av magnetfelt. De kan hente energi fra vibrasjoner eller sollys og kan tilby muligheter til å bygge helhetlige sensornettverk for fabrikker, lager og kommersielle områder til en svært moderat installasjons- og vedlikeholdskostnad. 

Alle disse diskusjonene om energihøsting og å hente nødvendig energi fra omkringliggende magnetfelt, lydbølger eller sollys kan minne de som er kjent med piezoelektriske materialer. Men det finnes forskjeller. 

Klikk her for å lære om bærekraftige energikilder og deres adopsjonsrater.

De selvforsynte sensorene er forskjellige fra piezoelektriske materialer

Piezoelektriske materialer kan produsere en elektrisk spenning når de utsettes for belastning. De drivende faktorene bak kraftgenerering kan være bøying, strekk eller vibrasjoner. Det er mulig å utnytte disse måtene å generere elektrisitet på gjennom en bølgeenergienhet. 

Piezoelektrisitet har også blitt brukt som en marin kraftgenereringsteknologi. Den er imidlertid forskjellig fra de selvforsynte sensorsystemene vi diskuterer her fordi de kun utgjør en del av systemet. 

Det vitenskapelige papiret som beskriver energistyringsdesignet for selvforsynte sensorer viser at det er tre brede komponenter. Det er høstekilden, kjernen i energistyringsmodulen og sensor‑noden. 

Piezoelektrisitet er en av høstekildene. Det kan finnes flere slike høstekilder, inkludert solceller, CT MEH‑kilder, og termoelektriske eller triboelektriske kilder. 

Oppsummert er en selvforsynt sensor mer enn et piezoelektrisk materiale eller selve fenomenet piezoelektrisitet. Derfor finner selvforsynte sensorer en rekke anvendelser. 

I de kommende segmentene vil vi se på selskaper som produserer slike sensorer eller bruker dem. 

#1. EnOcean: Selvforsynte sensorer for trygge bygninger

De trådløse selvforsynte sensorene fra EnOcean henter energi fra omgivende lys ved å utnytte solceller. Ikke bare det, men disse sensorene kan også trekke energi fra de minste temperaturforskjellene. I tillegg til energihøsting kan de samle inn rådata, som hjelper med analyse og visualisering av energidynamikken i en smart bygning. Videre, bortsett fra temperatur, får sensorene effektivt informasjon om luftfuktighet, lys, og hvordan rom og enkelte områder i en bygning blir brukt.

EnOcean har en rekke produkter i sin portefølje av selvforsynte sensorer, inkludert trådløse sensor‑moduler for energihøsting, ultralavstrøms DC/DC‑omformere for termisk energihøsting, magnetkontakt‑sender‑moduler for energihøsting og trådløse temperatursensor‑moduler, fuktighetssensor‑moduler, og mer. 

EnOcean posisjonerer STM 550 som flaggskipproduktet i sin familie av selvforsynte sensorer. Det er en trådløs sensor som henter energi og har mange anvendelser i digitaliserte bygninger. Det er et multisensor‑produkt som kombinerer fem ulike sensorer som arbeider med magnetkontakt, akselerasjon, fuktighet, belysning og temperatur. 

Sensoren leveres med en integrert solcelle som kan dekke alle driftsenergi‑behov. Selv når det ikke er sollys tilgjengelig, sikrer den internt lagrede innhentede energien at systemet forblir funksjonelt. Til slutt gjør NFC‑grensesnittet konfigurasjon og tilgang enkelt via en NFC‑leser, smarttelefon eller nettbrett. 

Ifølge et internt dokument publisert av EnOcean, registrerte selskapet en omsetning på US$21 millioner og US$23.2 millioner i FY 21 og FY 22, henholdsvis, uten å inkludere inntekter fra ervervede eiendeler. For FY 23 projiserte selskapet en omsetning på US$35 millioner. 

Selskapet viste også en sterk pipeline av strategiske og finansielle investorer, inkludert Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens og Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Arbeider mot en batterifri fremtid

Et annet selskap som har jobbet grundig for å oppfylle kravene til en selvforsynt fremtid, er ONiO. 

Flaggskipproduktet deres, ONiO.zero, er en liten trådløs mikrokontroller som kan erstatte batterier. Den er festet på et lite stykke silisium som har nødvendig elektrisk krets for å samle de minste mengdene energi. 

Dette nanoskalige systemet kan kjøre programmer, koble til eksterne sensorer og kommunisere trådløst. Det utnytter omgivende fornybar energi til å drive mikroelektronikk for å oppnå en oppsett hvor brukere fullt ut kan dra nytte av RF, sol‑ og termoelektrisk energi. 

ONiO.Zero driver mange mikrokontroller‑enheter, inkludert en batterifri fjernkontroll. Når fjernkontrollen brukes, implementerer ONiO.zero et lavstrøm‑PDM‑grensesnitt for tilkobling av lavstrøm‑mikrofoner. Dette grensesnittet støtter prøvetakingshastigheter fra 300 KHz til 12 MHz, med ekstra støtte for brøkdeler av bitrate. Videre betyr integreringen av en kapasitativ berøringsmotor at fjernkontrollen ikke trenger en intern oscillator for drift og er helt selvklokkedrevet. Dette designet gjør at den kan kjøre på ekstremt lav effekt og asynkront vekke resten av systemet. Dessuten er den ultralavstrøms‑oscillatoren designet slik at hvert tastetrykk, fra totalt 64 knapper, kan vekke CPU‑en. 

I juli 2023 avduket ONiO sine batterifrie elektroniske hylleskilt. Disse er 100 % selvforsynt og krever ingen batterier. Tradisjonelle hylleskilt bruker to myntceller hver, og en gjennomsnittlig nærbutikk bruker nær 6 000 av disse hylleskiltene, noe som fører til hyppig avhending av nesten 12 000 myntceller i hav og deponier fra én enkelt nærbutikk. 

ONiOs selvforsynte batterifrie elektroniske hylleskilt kan redde planeten vår fra giftig avfall generert av millioner av batterier. 

Selskapet fullførte sin pre‑seed, seed og bridge finansieringsrunde i 2017, 2018 og 2021, henholdsvis, og forventes å fullføre Series A innen 2024. De siste tilgjengelige finansieringsdataene antyder at selskapet hentet inn nær 2,5 millioner euro som et tilskudd fra European Innovation Council i mai 2020. 

#3. Clarity Movement Co.: Utnytter luftsensorteknologi for å lede bevegelsen for ren luft

Basert i Berkeley, California, USA, tilbyr Clarity Movement Co. sitt flaggskip‑partikkelmatter‑ og nitrogen‑dioxid‑monitor med navnet Clarity Node‑S. Det er en selvforsynt løsning som har oppnådd FCC/CE‑sertifisering. I kjernen er det et IoT‑luftkvalitets‑overvåkingssystem som fungerer på prinsippene for solenergi‑høsting. 

Den har også avanserte datastyringsmuligheter som kan tilpasses til enhver prosjektstørrelse. I tillegg til å fungere som luftkvalitets‑overvåkingsmaskinvare som måler PM2.5 og nitrogen‑di‑oksid, fungerer Clarity Node‑S også som en plattform som kan måle vind, svart karbon og ozon. Dens brukervennlige dashbord tilbyr luftkvalitetsmålinger og nettverksstatusdata på den mest tilgjengelige måten mulig. 

Clarity Movement har hatt totalt fem finansieringsrunder så langt, med den siste Series A den 24. juli 2022. Det rapporteres at runden ble lukket med 9,6 millioner USD i innsamlede midler. 

Bortsett fra selskapene som produserer batterifrie, selvforsynte sensorsystemer, finnes det anvendelsesområder som studerer deres gjennomførbarhet og gjør utviklinger deretter. 

Fra helsevesen til intelligente bygningssystemer: Bruken av selvforsynte sensorer

Sensorer har funnet bruk innen helsevesen, wearables‑industrien, personlig elektronikk, biler, bygninger, matovervåkning, robotikk, miljøovervåkning og mer. Fordelene med sensorer har blitt ytterligere forsterket av selvforsynte sensorer. 

Nå pågår det utvikling rundt integrering av maskinlæringsteknikker i selvforsynte sensorsystemer. Eksperter mener at å kombinere selvforsynte sensorer med ML‑kapasiteter vil åpne for stor‑skala utrulling av tingenes internett. 

Vellykket forskning har blitt utført rundt selvforsynte trådløse optisk overføring for trådløs trykkdeteksjon. Den vitenskapelige verden har også vært vitne til utviklingen av 3D‑printede elastomeriske metall‑kjerne triboelektriske armbånd, tremorsensorer for Parkinsons, smarte sokker og intelligente førerassistansesystemer – alle som arbeider for å utnytte selvforsynte sensorer. 

Innen helse‑ og biomedisinske anvendelser har hybride sensorer med ML‑teknikker som kan oppdage biomekanisk energi utsendt av menneskelige bevegelser kommet. Disse sensorene driver benrehabiliteringsenheter og hjelper med hud‑utløste biomekaniske bevegelser samt multifunksjonell trykk‑sensning og menneskelig gestidentifikasjon. 

Veien videre for en batterifri, selvforsynt fremtid

Et av områdene hvor selvforsynte, batterifrie sensorer vil hjelpe enormt, er utrullingen av IoT i global skala. Estimater antyder at potensiell stor‑skala IoT‑utrulling krever utskifting av en milliard batterier hver dag. Energihøsting‑teknikker vil definitivt bidra. 

Imidlertid kan fremtiden for selvforsynte sensorer kun realisere sitt fulle potensial dersom den løser noen flaskehalser. Elektronikkens verden må bli klar til effektivt å akseptere og utnytte små kraftgenereringsmodaliteter som energihøsting‑teknikker gir opphav til. 

Verden må se mer fremgang i utviklingen av elektroniske enheter som kan kjøre effektivt på lav aktiv prosesseringskraft. Den overfladiske ladningen som kontakt‑elektrifisering genererer må økes for å høste tilstrekkelig energi som kan drive våre hverdags‑elektroniske enheter. For vellykket anvendelse i menneskelig bevegelsesdeteksjon vil også effektiv håndtering av tilgjengelige data spille en avgjørende rolle. 

Når disse utfordringene er tilstrekkelig adressert, kan selvforsynte sensorer gå langt i å forenkle og forbedre systemer vi bruker i hverdagen. Det vil bane vei for energi med det laveste karbonavtrykket og som er bærekraftig i kjernen.