Vem behöver batterier? Självförsörjande sensorer kan förenkla och förbättra system

Den växande energiefterfrågan och hur man möter den är en av de mest akuta frågorna världen står inför. Inte bara är produktionsvolymen en utmaning som måste tas itu med, utan även produktionssättet måste vara hållbart och fritt från koldioxidutsläpp. 

Forskare, forskningspersoner, teknologer, institutioner och statliga organisationer världen över gör sitt bästa för att utveckla effektiva lösningar på denna energichalläng. Många framgångsrika försök har också bidragit till att förbättra situationen. 

Mitt i allt detta har en grupp forskare från MIT utvecklat en batterifri, självförsörjande sensor som kan samla energi från omgivningen. Låt oss börja med att gå djupare och förstå vad denna teknik innebär och varför den är en betydande innovation. 

Batterifria, självförsörjande sensorer från MIT-forskare

Dessa sensorer är fria från behovet av uppladdningsbara eller utbytbara batterier. De kräver inte heller kablage, vilket gör dem enklare att placera på svåråtkomliga platser. I princip är dessa sensorer temperaturkänsliga enheter som kan drivas av energi som tas från det omgivande magnetfältet runt en ledning i öppen luft. 

Att installera dessa sensorer är så enkelt som att klämma fast dem runt en strömförande ledning, exempelvis de som driver en motor. När de är fastklämda räcker det för sensoren att både samla in och lagra energi. Dessutom kan enheten övervaka motorns temperatur samt samla in data om maskinens energiförbrukning och drift under en längre period.

Enligt Daniele Monagle, huvudförfattaren till studien som belyser denna innovation som en publikation i IEEE Xplore 

“Vi har presenterat ett exempel på en batterifri sensor som gör något användbart och visat att det är en praktiskt realiserbar lösning. Nu hoppas vi att andra använder vårt ramverk för att få igång designen av sina sensorer.”

När han talade om innovationen och dess nytta sade John Donnal, docent i vapen- och kontrollteknik vid United States Naval Academy, följande: 

“Energihöstarssystem som detta kan göra det möjligt att eftermontera en mängd olika diagnostiska sensorer på fartyg och avsevärt minska de totala underhållskostnaderna.”

Forskarna tror att denna innovation är ett värdefullt tillägg till energihöstarvärlden eftersom den fungerar som ett effektivt elektroniskt energihanteringsgränssnitt mellan energikällan och sensorbelastningen.

Systemet visade under utvecklingstester framgångsrika kallstartsegenskaper som använder diskret logik, med genomsnittliga förbättringar i energihämtning på nästan 400 % under vissa spänningsbelastningsförhållanden för hästaren. Det fungerade med en hysteretisk styrmetod som kunde betjäna en sensorbelastning på upp till 50 megawatt.

Arbetet stöddes delvis av Office of Naval Research och The Grainger Foundation. I grunden kan övervaknings- och sensorkapaciteterna hos dessa enheter ha många tillämpningar inom sjöfart.

Till exempel är det svårt att komma åt och övervaka ström på ett fartyg eftersom antalet uttag är begränsat och det finns strikta restriktioner kring vilken typ av utrustning som får anslutas.

Fartyget skulle kunna dra stor nytta av att mäta en pumpes vibrationer och få realtidsinformation om lager och fästen, men att driva eftermonterade sensorer kräver tung infrastruktur. Dessa självförsörjande sensorsystem möjliggör eftermontering av en rad diagnostiska sensorer på fartyg, vilket kraftigt minskar underhållskostnaderna.

Dessutom är energihämtningen som dessa sensorer utför inte bara beroende av magnetfält. De kan samla energi från vibrationer eller solljus och kan möjliggöra byggandet av heltäckande sensornätverk för fabriker, lager och kommersiella utrymmen till en mycket måttlig installations- och underhållskostnad.

Alla dessa diskussioner kring energihästar och att hämta den nödvändiga energin från omgivande magnetfält, ljudvibrationer eller solljus kan låta bekanta för dem som känner till piezoelektriska material. Men det finns skillnader.

Klicka här för att lära dig om hållbara energikällor och deras antagningsgrad.

De självförsörjande sensorerna skiljer sig från piezoelektriska material

Piezoelektriska material kan producera en elektrisk spänning när de utsätts för belastning. Drivkrafterna bakom energiproduktionen kan vara böjning, sträckning eller vibrationer. Det är möjligt att utnyttja dessa metoder för att generera elektricitet via en vågenergi-enhet.

Piezoelektricitet har också använts som en marin kraftgenereringsteknik. Det skiljer sig dock från de självförsörjande sensorsystem vi diskuterar här eftersom de endast utgör en del av systemet.

Den vetenskapliga artikeln som beskriver energihanteringsdesignen för självförsörjande sensorer visar att den består av tre breda komponenter: energihästarens källa, kärnmodulen för energihantering och sensornoden.

Piezoelektricitet är en av energihästarens källor. Det kan finnas fler sådana källor, inklusive solceller, CT MEH-källor samt termoelektriska eller triboelektriska källor.

Sammanfattningsvis är en självförsörjande sensor mer än ett piezoelektriskt material eller fenomenet piezoelektricitet i sig. Därför hittar självförsörjande sensorer en rad olika tillämpningar.

I de kommande avsnitten kommer vi att titta på företag som tillverkar sådana sensorer eller använder dem.

#1. EnOcean: Självförsörjande sensorer för säkra byggnader

EnOceans trådlösa självförsörjande sensorer hämtar energi från omgivande ljus genom solceller. Dessutom kan dessa sensorer extrahera energi från de minsta temperaturdifferenserna. Förutom energihästaren kan de också samla in rådata, vilket underlättar analys och visualisering av energidynamiken i en smart byggnad. Vidare, förutom temperatur, får dessa sensorer effektivt information om luftfuktighet, ljus samt hur utrymmen och vissa rum i en byggnad används.

EnOcean har ett brett sortiment av produkter i sin portfölj av självförsörjande sensorer, inklusive trådlösa sensor-moduler för energihästar, ultralågeffektiva DC/DC-omvandlare för termiska energihästar, magnetiska kontakttransmittermoduler för energihästar samt trådlösa temperatur‑, luftfuktighets‑ och ljussensor‑moduler med mera.

EnOcean placerar STM 550 som flaggskeppsprodukt i sin familj av självförsörjande sensorer. Det är en energihästartrådlös sensor med många tillämpningar i digitaliserade byggnader. Det är en multisensorprodukt som kombinerar fem olika sensorer som arbetar med magnetkontakt, acceleration, luftfuktighet, belysning och temperatur.

Sensorn är utrustad med en integrerad solcell som kan tillgodose alla operativa energibehov. Även när det inte finns någon solljus tillgänglig säkerställer den internt lagrade insamlade energin att systemet förblir funktionellt. Slutligen möjliggör NFC‑gränssnittet enkel konfiguration och åtkomst via en NFC‑läsare, smartphone eller surfplatta.

Enligt ett internt dokument publicerat av EnOcean, rapporterade företaget en omsättning på 21 miljoner US‑dollar respektive 23,2 miljoner US‑dollar för räkenskapsåren 21 och 22, utan att inkludera någon intäkt från förvärvade tillgångar. För räkenskapsår 23 prognostiserade företaget en omsättning på 35 miljoner US‑dollar.

Företaget visade också upp en stark pipeline av strategiska och finansiella investerare, inklusive Eltako Electronics, Wellington Partners, SET Ventures, Siemens och Emerald Technology Ventures.

#2. ONiO: Arbetar mot en batterifri framtid

Ett annat företag som har arbetat intensivt för att möta kraven på en självförsörjande framtid är ONiO.

Dess flaggskeppsprodukt, ONiO.zero, är en liten trådlös mikrokontroller som kan ersätta batterier. Den är integrerad på en liten kiselbit som har den nödvändiga elektriska kretsen för att samla de minsta energimängderna.

Detta nanostora system kan köra program, ansluta till externa sensorer och kommunicera trådlöst. Det utnyttjar omgivande förnybar energi för att driva mikroelektronik och möjliggör en uppsättning där användare kan utnyttja RF, sol- och termoelektrisk energi till sin fördel.

ONiO.Zero driver många mikrokontroller-enheter, inklusive en batterifri fjärrkontroll. Vid drift av fjärrkontrollen implementerar ONiO.zero ett lågströms‑PDM‑gränssnitt för anslutning av lågströms‑mikrofoner. Detta gränssnitt stödjer samplingshastigheter från 300 kHz till 12 MHz, med ytterligare stöd för fraktionell bithastighet. Dessutom innebär integrationen av en kapacitiv beröringsmotor att fjärrkontrollen inte kräver någon intern oscillator för drift och är helt själv‑klockad. Denna design gör att den kan köras på extremt låg effekt och asynkront väcka resten av systemet. Dessutom är den ultralåga oscillatorn konstruerad så att varje knapptryckning, från totalt 64 knappar, kan väcka CPU:n.

I juli 2023 presenterade ONiO sina batterifria elektroniska hylletiketter. Dessa är 100 % självförsörjande och kräver inga batterier alls. Traditionella hylletiketter använder två myntbatterier vardera, och en genomsnittlig närbutik använder nära 6 000 av dessa hylletiketter, vilket resulterar i frekvent bortforsling av nästan 12 000 myntceller till hav och deponier från en enda närbutik.

ONiOs självförsörjande batterifria elektroniska hylletiketter kan rädda vår planet från giftigt avfall som genereras av sådana miljoner batterier.

Företaget avslutade sina pre‑seed‑, seed‑ och bridge‑finansieringsrundor 2017, 2018 och 2021 respektive och förväntas slutföra Series A år 2024. De senaste tillgängliga finansieringsuppgifterna visar att företaget erhöll nära 2,5 miljoner euro som ett bidrag från European Innovation Council i maj 2020.

#3. Clarity Movement Co.: Utnyttjar luftsensorteknik för att leda den rena luft‑rörelsen

Basert i Berkeley, Kalifornien, USA, erbjuder Clarity Movement Co. sin flaggskeppsprodukt för partiklar och kvävedioxid, Clarity Node‑S. Det är en självförsörjande lösning som har erhållit FCC/CE‑certifiering. I kärnan är det ett IoT‑system för luftkvalitetsövervakning som fungerar på principerna för solenergi‑hästar.

Den har också avancerade datastyrningsfunktioner som kan anpassas till vilken projektstorlek som helst. Förutom att fungera som hårdvara för luftkvalitetsövervakning som mäter PM2.5 och kvävedioxid, fungerar Clarity Node‑S även som en plattform som kan mäta vind, svart kol och ozon. Dess användarvänliga instrumentpanel erbjuder luftkvalitetsmätningar och nätverksstatusdata på det mest tillgängliga sättet.

Clarity Movement har haft totalt fem finansieringsrundor hittills, med den senaste Series A den 24 juli 2022. Enligt uppgift avslutades rundan med 9,6 miljoner US‑dollar i insamlat kapital.

Förutom de företag som tillverkar batterifria, självförsörjande sensorslösningar finns det tillämpningsområden som studerar dess genomförbarhet och utvecklar därefter.

Från sjukvård till intelligenta byggsystem: Användning av självförsörjande sensorer

Sensorer har använts inom sjukvård, bärbar teknik, personlig elektronik, bilar, byggnader, livsmedelsövervakning, robotik, miljöövervakning och mer. Fördelarna med sensorer har ytterligare förstärkts av självförsörjande sensorer.

Nu pågår utveckling kring integration av maskininlärningstekniker i självförsörjande sensorsystem. Experter tror att förstärkning av självförsörjande sensorer med ML‑kapacitet kommer att öppna upp möjligheter för storskalig utrullning av Internet of Things.

Framgångsrik forskning har genomförts kring självförsörjande trådlös optisk överföring för trådlös tryckdetektering. Vetenskapssamfundet har också bevittnat utvecklingen av 3D‑skrivna elastomeriska metall‑kärna triboelektriska handledsband, tremorsensorer för Parkinsons, smarta strumpor och intelligenta förarassistanssystem – alla arbetar för att utnyttja självförsörjande sensorer.

Inom sjukvård och biomedicinska tillämpningar har hybrid‑sensorer med ML‑tekniker som kan upptäcka biomekanisk energi som avges av mänskliga rörelser utvecklats. Dessa sensorer driver benrehabiliteringsenheter och hjälper till med hud‑utlösta biomekaniska rörelser samt multifunktionell trycksensorik och lösningar för igenkänning av mänskliga gester.

Framtiden för en batterifri, självförsörjande framtid

Ett av de områden där självförsörjande, batterifria sensorer kommer att vara till stor nytta är utrullningen av IoT i global skala. Uppskattningar visar att en potentiell storskalig IoT‑utbyggnad kräver ersättning av en miljard batterier varje dag. Energihästartekniker kommer definitivt att hjälpa.

Dock kan självförsörjande sensorer bara nå sin fulla potential om de lyckas lösa ett antal flaskhalsar. Elektronikens område måste bli redo att effektivt acceptera och utnyttja de små kraftgenereringsmodaliteter som energihästartekniker ger upphov till.

Världen behöver se mer framsteg i utvecklingen av elektroniska enheter som kan köras effektivt med låg aktiv processorkraft. Den ytladdning som kontakt‑elektrifiering genererar måste öka för att samla tillräcklig energi som kan driva våra vardagliga elektroniska prylar. För framgångsrik tillämpning i mänsklig rörelsedetektering kommer även effektiv hantering av tillgängliga data att spela en avgörande roll.

När dessa utmaningar har hanterats på ett tillfredsställande sätt kan självförsörjande sensorer gå en lång väg i att förenkla och förbättra system som vi använder i vardagen. Det kommer att bana vägen för energi med den minsta koldioxidavtrycket och som är hållbar i sin kärna.