Kan elektroniska enheter skörda energi på egen hand?

Användbarheten av Internet of things kommer att bero på små sensorer placerade nästan var som helst för att fånga data om miljön eller spåra produkter och människor. För att få störst effekt måste sådana sensorer fungera även utan att vara inkopplade eller beroende på batterier som måste laddas eller bytas ut. Det är därför ingenjörer utvecklar sensorer som klarar sig med energi som skördas från omgivande källor, som ljus, temperaturförändringar och radiovågor. Här är några exempel.

Forskare från University of Washington utvecklade en ny sensor som hämtar kraft från gradvisa temperaturförändringar och som kan användas för att upptäcka problem som läckor eller sprickor i byggnader.

Backscatter

University of Washingtons Shyam Gollakota och hans team har skapat ett sätt att ansluta enheter till Internet som förbrukar väldigt lite ström och inte kräver batterier. Enheterna fångar upp radiofrekvensenergi som finns runt omkring oss från radio-, TV- och mobiltelefonnätverk. Gollakota och kollegor är inte de första att skörda radiofrekvent energi, men deras teknik går ett steg längre eftersom den också kan underlätta kommunikation över Wi-Fi - vilket normalt skulle kräva mycket mer kraft än vad som kan fångas från omgivande radiovågor. De gör detta med teknik som de kallar Wi-Fi backscatter. De har tagit fram taggar med antenner som växlar mellan att reflektera och absorbera de omgivande radiovågorna. I absorberande läge samlar de kraft; i reflekterande läge kan de sprida radiofrekvensenergin på sätt som en närliggande Wi-Fi-router kan upptäcka. Taggen använder mindre än 10 mikrowatt ström för att kommunicera via dessa reflektioner, jämfört med den watt ström det kan ta för att faktiskt överföra Wi-Fi-signaler. Idag kan taggen kommunicera över en räckvidd på två meter, men forskarna hoppas kunna utöka den till 20 meter. Forskarna demonstrerar tekniken i den här videon och förklara det i detta papper.

Känner av förändring

En annan grupp forskare från University of Washington har utvecklat en avkänningsenhet som drar fördel av de gradvisa temperaturförändringarna i miljön. Sensorerna kan övervaka vattenläckor eller strukturella problem i byggnader och skicka trådlösa varningar. Nyckeln till att få denna teknik att fungera är en dragspelsliknande bälg inuti enheten fylld med en gas som expanderar eller drar ihop sig baserat på temperaturen; denna rörelse omvandlas till elektricitet. Forskarna visade att en temperaturförändring på bara 0,25 °C räcker för att driva en sensornod, överföra data till en mottagare mer än fem meter bort och uppdatera en e-bläckdisplay som visar temperaturen. Sensorn beskrivs i tidningen Drivs av trådlösa sensornoder med förändringar i omgivningstemperaturen och visas i den här videon.

Antenn på Chip

Forskare från Stanford och University of California, Berkeley, har gjort en självförsörjande radio som är lika stor som en myra. Dess antenn skördar tillräckligt med ström från en inkommande signal för att utföra kommandot som är inbäddat i den. Till en kostnad av bara några ören att göra, kan dessa radioapparater ge ingenjörer ett prisvärt sätt att ansluta nästan alla typer av enheter till Internet. Chipet beskrevs i en papper presenterades vid 2014 års symposium om VLSI Circuits.

Nanogenerator

Forskare vid Georgia Tech skapar nanogeneratorer som kan skörda energi från den elektriska laddningen som produceras när två olika material gnuggar ihop. Det betyder att det kan vara möjligt att dra nytta av den annars bortkastade mekaniska energin som kommer från blåsande vind, vågor eller promenader, säger Zhong Lin Wang, professorn som leder forskningen. Forskarna har visat hur generatorer kan lysa upp till 1 000 LED-lampor, men förhoppningen är att så småningom driva smartphones eller göra det möjligt för sensorer att driva sig själva för att upptäcka rörelse, vibrationer, läckor eller explosioner. Forskning om generatorerna har beskrivits i flera artiklar, inklusive en artikel i Naturkommunikation i mars som förklarar hur generatorn kan ladda elektronik. Lin Wang förklarar den triboelektriska effekten som produceras av två olika material i detta video.

Takeaway:

Så småningom kan vi kanske kunna köra telefoner och surfplattor på skördad omgivande energi, efter att sådana enheter har omarbetats för att kräva dramatiskt mindre ström. Men för närvarande är energiskörd lovande för endast små sensorer och radioapparater. Dagens versioner av mobiltelefoner och bärbara datorer vi använder varje dag kräver storleksordningar mer kraft.

Har du en stor fråga? Skicka förslag till [email protected] .

Dölj