Quem Precisa de Baterias? Sensores Autônomos Podem Simplificar e Melhorar Sistemas

A crescente demanda por energia e como atendê‑la é uma das preocupações mais urgentes que o mundo enfrenta. Não apenas o volume de produção é um desafio que precisa ser abordado, mas a natureza da produção deve ser sustentável e livre de emissões de carbono. 

Cientistas, pesquisadores, tecnólogos, instituições e organizações governamentais em todo o mundo estão se esforçando ao máximo para criar soluções eficientes para esse desafio energético. Muitas tentativas bem‑sucedidas também têm ajudado a melhorar o cenário. 

Em meio a tudo isso, um grupo de pesquisadores do MIT desenvolveu um sensor autônomo, sem bateria capaz de captar energia do ambiente. Vamos começar aprofundando e entendendo o que essa tecnologia significa e por que é uma inovação significativa. 

Sensores Autônomos, Sem Bateria, de Pesquisadores do MIT

Esses sensores não precisam de baterias recarregáveis ou substituíveis. Eles também não requerem fiação, facilitando a instalação em locais de difícil acesso. Essencialmente, esses sensores são dispositivos sensíveis à temperatura que podem operar com energia extraída do campo magnético adjacente a um fio no ar livre. 

Implantar esses sensores é tão simples quanto prendê‑los a um fio que transporta eletricidade, como os que alimentam um motor. Uma vez presos, a implantação é suficiente para que o dispositivo de detecção tanto capte quanto armazene energia. Além disso, o dispositivo pode monitorar a temperatura do motor, bem como coletar dados sobre o consumo de energia e as operações da máquina ao longo de um período prolongado.

De acordo com Daniele Monagle, autor principal do estudo que destaca essa inovação como um artigo publicado na IEEE Xplore:

“Fornecemos um exemplo de sensor sem bateria que realiza algo útil e demonstramos que é uma solução praticamente realizável. Agora, esperamos que outros usem nossa estrutura para iniciar o desenvolvimento de seus sensores.”

Ao falar sobre a inovação e seu valor utilitário, John Donnal, professor associado de engenharia de armas e controles na Academia Naval dos Estados Unidos, disse: 

“Sistemas de captação de energia como este podem possibilitar a retrofit de uma ampla variedade de sensores de diagnóstico em navios e reduzir significativamente o custo total de manutenção.”

Os pesquisadores acreditam que essa inovação é um acréscimo valioso ao campo da captação de energia, pois funciona como uma interface eletrônica de gerenciamento de energia eficiente entre a fonte captadora e a carga do sensor. 

O sistema, durante testes de desenvolvimento, exibiu capacidades de partida a frio bem‑sucedidas que utilizam lógica discreta, com melhorias médias na captação de energia chegando a quase 400 % sob determinadas condições de carga de tensão da fonte captadora. Ele operou sob um método de controle histerético que pode atender a uma carga de sensor de até 50 megawatts. 

O trabalho foi parcialmente apoiado pelo Office of Naval Research e pela Grainger Foundation. Fundamentalmente, as capacidades de monitoramento e detecção desses dispositivos podem ter muitas aplicações no setor naval. 

Por exemplo, acessar e monitorar a energia em um navio é difícil, pois há um número limitado de tomadas e restrições rigorosas quanto ao tipo de equipamento que pode ser conectado. 

Embora o navio possa se beneficiar significativamente ao medir a vibração de uma bomba e obter informações em tempo real sobre a saúde dos rolamentos e suportes, alimentar sensores retrofit envolve a construção de infraestrutura pesada e cara. Esses sistemas de sensores autônomos tornam possível retrofitar uma variedade de sensores de diagnóstico em navios, reduzindo consideravelmente o custo de manutenção. 

Além disso, a captação de energia desses sensores não depende apenas de campos magnéticos. Eles podem captar energia de vibrações ou da luz solar e podem oferecer capacidades para construir redes de sensores completas para fábricas, armazéns e espaços comerciais a um custo de instalação e manutenção muito moderado. 

Todas essas discussões sobre captação de energia e obtenção da energia necessária a partir de campos magnéticos circundantes, vibrações sonoras ou luz solar podem soar familiares para quem conhece materiais piezoelétricos. Mas há diferenças. 

Clique aqui para aprender sobre fontes de energia sustentáveis e suas taxas de adoção.

Os Sensores Autônomos São Diferentes dos Materiais Piezoelétricos

Os materiais piezoelétricos podem gerar uma tensão elétrica quando submetidos a esforço. Os fatores que impulsionam a geração de energia podem ser flexão, alongamento ou vibrações. É possível aproveitar essas formas de gerar eletricidade por meio de um dispositivo de energia das ondas. 

A piezoeletricidade também tem sido utilizada como tecnologia de geração de energia marinha. No entanto, ela difere dos sistemas de sensores autônomos que discutimos aqui, pois constitui apenas uma parte do sistema. 

O artigo científico que detalha o design de gerenciamento de energia para sensores autônomos mostra que ele possui três componentes principais: a fonte captadora, o módulo central de gerenciamento de energia e o nó sensor. 

A piezoeletricidade é uma das fontes captadoras. Podem existir outras fontes captadoras, incluindo células solares, fontes CT MEH e fontes termelétricas ou triboelétricas. 

Resumindo, um sensor autônomo é mais do que um material piezoelétrico ou o próprio fenômeno da piezoeletricidade. Portanto, sensores autônomos encontram uma variedade de aplicações. 

Nos próximos segmentos, analisaremos empresas que fabricam esses sensores ou os utilizam. 

#1. EnOcean: Sensores Autônomos para Edifícios Seguros

Os sensores sem fio autônomos da EnOcean captam energia da luz ambiente, aproveitando células solares. Não só isso, mas esses sensores também são capazes de extrair energia das menores diferenças de temperatura. Além da captação de energia, eles podem coletar dados brutos, auxiliando na análise e visualização da dinâmica energética de um edifício inteligente. Além da temperatura, esses sensores obtêm informações de forma eficiente sobre umidade, iluminação e como o espaço e determinados cômodos de um edifício estão sendo utilizados.

A EnOcean possui uma variedade de produtos em seu portfólio de sensores autônomos, incluindo módulos de sensores sem fio que captam energia, conversores DC/DC de ultra‑baixa potência para captadores de energia térmica, módulos transmissores de contato magnético que captam energia, módulos de sensores de temperatura sem fio, módulos de sensores de umidade e muito mais.

A EnOcean posiciona o STM 550 como o produto principal de sua família de sensores autônomos. É um sensor sem fio que capta energia e tem muitas aplicações em edifícios digitalizados. É um produto multisensor que combina cinco sensores diferentes que operam com contato magnético, aceleração, umidade, iluminação e temperatura.

O sensor vem com uma célula solar integrada, que pode suprir todas as necessidades energéticas operacionais. Mesmo quando não há luz solar disponível, a energia captada armazenada internamente garante que o sistema permaneça funcional. Por fim, a interface NFC assegura fácil configurabilidade e acesso por meio de um leitor NFC, smartphone ou tablet.

De acordo com um documento interno publicado pela EnOcean, a empresa registrou uma receita de US$ 21 milhões e US$ 23,2 milhões nos exercícios FY 21 e FY 22, respectivamente, sem incluir receitas de ativos adquiridos. Para o FY 23, a empresa projetou uma receita de US$ 35 milhões.

A empresa também demonstrou um forte pipeline de investidores estratégicos e financeiros, incluindo Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens e Emerald Technology Ventures. 

#2. ONiO: Trabalhando Rumo a um Futuro Sem Bateria

Outra empresa que tem trabalhado rigorosamente para atender às demandas de um futuro autônomo é a ONiO. 

Seu produto principal, ONiO.zero, é um pequeno microcontrolador sem fio capaz de substituir baterias. Ele é incorporado a um minúsculo pedaço de silício que possui a circuitaria elétrica necessária para acumular as menores quantidades de energia.

Este sistema de tamanho nanométrico pode executar programas, conectar-se a sensores externos e comunicar‑se sem fio. Ele utiliza energia renovável ambiente para alimentar microeletrônicos, permitindo que os usuários aproveitem plenamente energia RF, solar e termelétrica em seu benefício.

ONiO.Zero alimenta muitos dispositivos de microcontrolador, incluindo um controle remoto sem bateria. Ao operar o controle remoto, o ONiO.zero implementa uma interface PDM de baixa potência para conectar microfones de baixo consumo. Essa interface suporta velocidades de amostragem de 300 kHz a 12 MHz, com suporte adicional para taxa de bits fracionária. Além disso, a integração de um motor de toque capacitivo significa que o controle remoto não requer oscilador interno para funcionamento e é totalmente auto‑cronometado. Esse design permite que ele opere com energia extremamente baixa e desperte assíncronamente o restante do sistema. Além disso, o oscilador ultra‑baixo consumo foi projetado para que qualquer pressionamento de tecla, de um total de 64 botões, possa despertar a CPU.

Em julho de 2023, a ONiO revelou suas etiquetas eletrônicas de prateleira sem bateria. Elas são 100 % autônomas e não requerem baterias. As etiquetas de prateleira tradicionais utilizam duas pilhas tipo moeda cada, e uma loja de conveniência média usa cerca de 6 000 dessas etiquetas, resultando na descarte frequente de quase 12 000 células de moeda nos oceanos e aterros de uma única loja.

As etiquetas eletrônicas de prateleira sem bateria e autônomas da ONiO podem salvar nosso planeta do lixo tóxico gerado por milhões de baterias.

A empresa concluiu suas rodadas de financiamento pré‑seed, seed e bridge em 2017, 2018 e 2021, respectivamente, e espera concluir a Série A até 2024. Os dados de financiamento mais recentes indicam que a empresa arrecadou cerca de 2,5 milhões de euros como subsídio do Conselho Europeu de Inovação em maio de 2020.

#3. Clarity Movement Co.: Aproveitando a Tecnologia de Detecção de Ar para Liderar o Movimento do Ar Limpo

Com sede em Berkeley, Califórnia, Estados Unidos, a Clarity Movement Co. oferece seu monitor principal de material particulado e dióxido de nitrogênio, chamado Clarity Node‑S. É uma solução autônoma que recebeu certificação FCC/CE. Em sua essência, trata‑se de um sistema de monitoramento da qualidade do ar IoT que funciona com base nos princípios da captação de energia solar.

Ele também possui recursos avançados de gerenciamento de dados que podem ser dimensionados para qualquer escala de projeto. Além de servir como hardware de monitoramento da qualidade do ar que mede PM2.5 e dióxido de nitrogênio, o Clarity Node‑S também funciona como uma plataforma capaz de medir vento, carbono negro e ozônio. Seu painel amigável oferece medições da qualidade do ar e dados de status da rede de ar da maneira mais acessível possível.

A Clarity Movement já realizou um total de cinco rodadas de financiamento até o momento, sendo a mais recente a Série A, em 24 de julho de 2022. Segundo relatos, a rodada foi concluída com US$ 9,6 milhões em fundos arrecadados.

Além das empresas que fabricam soluções de sensores autônomos e sem bateria, há áreas de aplicação que estudam sua viabilidade e desenvolvem projetos de acordo.

Da Saúde à Construção de Sistemas Inteligentes: O Uso de Sensores Autônomos

Os sensores têm sido utilizados na saúde, na indústria de wearables, no campo da eletrônica pessoal, em automóveis, edifícios, monitoramento de alimentos, robótica, monitoramento ambiental e muito mais. Os benefícios dos sensores foram ainda mais realçados pelos sensores autônomos. 

Agora, há desenvolvimentos em torno da integração de técnicas de aprendizado de máquina em sistemas de detecção autônomos. Especialistas acreditam que aprimorar sensores autônomos com capacidades de ML abrirá caminhos para uma implantação em larga escala da Internet das Coisas.

Pesquisas bem‑sucedidas foram realizadas sobre transmissão óptica sem fio autônoma para detecção de pressão sem fio. O mundo científico também testemunhou o desenvolvimento de pulseiras triboelétricas de núcleo metálico elastomérico impressas em 3D, sensores de tremor para Parkinson, meias inteligentes e sistemas de assistência ao motorista inteligentes — todos trabalhando para aproveitar sensores autônomos.

No campo da saúde e das aplicações biomédicas, surgiram sensores híbridos com técnicas de ML que podem detectar a energia biomecânica emitida pelos movimentos humanos. Esses sensores alimentam dispositivos de reabilitação de pernas e auxiliam em movimentos biomecânicos acionados na pele, além de oferecer sensores de pressão multifuncionais e soluções de identificação de gestos humanos.

O Caminho à Frente para um Futuro Autônomo, Sem Bateria

Uma das áreas onde sensores autônomos e sem bateria ajudarão imensamente é na implantação da IoT em escala global. Estimativas sugerem que uma implantação massiva de IoT exigiria a substituição de um bilhão de baterias por dia. Técnicas de captação de energia certamente ajudarão. 

No entanto, o futuro dos sensores autônomos só poderá alcançar seu verdadeiro potencial se conseguir resolver alguns gargalos. O campo da eletrônica precisa estar preparado para aceitar e aproveitar eficientemente as pequenas modalidades de geração de energia que as técnicas de captação de energia criam.

O mundo precisa ver mais progresso no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que possam operar eficientemente com baixa potência de processamento ativo. A carga superficial gerada pela eletrificação de contato precisa aumentar para captar energia suficiente que possa alimentar nossos gadgets eletrônicos do dia a dia. Para aplicação bem‑sucedida em atividades de detecção de movimento humano, o gerenciamento eficaz dos dados disponíveis também desempenhará um papel crucial.

Com esses desafios devidamente superados, os sensores autônomos podem avançar consideravelmente na simplificação e aprimoramento dos sistemas que usamos diariamente. Eles abrirão caminho para uma energia com a menor pegada de carbono e sustentável em sua essência.