無需電池、自供電，MIT開發(fā)出新型傳感器
發(fā)布日期：2024/1/24 11:07:10 訪問次數(shù)：321
麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)表論文稱，該團隊開發(fā)出了一種無需電池、自供電的傳感器，可以從環(huán)境中獲取能量。由于它不需要必須充電或更換電池，也不需要特殊的布線，這種傳感器可以被嵌入到難以觸及的地方，比如船舶發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。
論文作者之一、MIT電氣工程與計算機科學(xué)和機械工程教授史蒂夫·李博士指出，“這款傳感器從環(huán)境電源中獲取能量，并且不需要額外的特殊裝置?！?br />
論文作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)研究生丹尼爾·蒙納格爾表示：“我們提供了一個無電池傳感器的范例，它能做一些有用的事情，并證明這是一個切實可行的解決方案。希望其他人也能利用我們的框架來設(shè)計他們自己的傳感器。”
MIT的自供電傳感器
根據(jù)論文，MIT研究團隊設(shè)計一種環(huán)境感應(yīng)裝置，它能從電線周圍露天產(chǎn)生的磁場中獲取能量，然后給溫度傳感器供電，而無需電池或有線連接。
這款自供電的傳感器共分為以下幾個部分：能量收集器、能量存儲、電源管理、傳感電路和通信模塊。為了避免使用電池，這款傳感器采用了內(nèi)部儲能技術(shù)，包括一系列電容器。為了讓能夠儲存設(shè)備開啟和開始收集電能所需的能量，但又足夠小，研究團隊重新設(shè)計了電容器，這款電容器不需要太長時間就可以充滿電。
同時，這款傳感器對電流有精準(zhǔn)的控制——可以在運行過程中持續(xù)感知和控制能量流，并將多余的能量存儲以備后用。該研究團隊還為此專門設(shè)計了控制算法，這個算法能夠動態(tài)地測量和預(yù)算設(shè)備收集、存儲和使用的能量。微控制器和算法配合，成為整個傳感器的大腦，主要負(fù)責(zé)能量的檢測，以及決定什么時候打開和關(guān)閉傳感器。
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圖源：MIT論文
為了讓傳感器能夠利用儲存的能量穩(wěn)定工作，MIT研究團隊在設(shè)計這款傳感器時主要采用超低功耗的電路設(shè)計，并且配合精密算法來控制設(shè)備，防止因為收集能量過多而爆炸。針對這款傳感器，研究團隊認(rèn)為，未來優(yōu)化方向之一是探索傳輸數(shù)據(jù)的能耗更低的手段，例如光學(xué)或聲學(xué)，進一步降低系統(tǒng)的能耗。
能量收集技術(shù)的發(fā)展
毫無疑問，MIT這款傳感器是能量收集技術(shù)的一個典型應(yīng)用。能量收集技術(shù)能夠從自然環(huán)境中獲取能量，而并非依賴電池或其他類型所產(chǎn)生的電力。能量收集的類型有很多，光能、溫差、振動、射頻（RF）等能量都可以成為能量源。
上面提到了磁場能量變化的收集，其實其他類型的能量收集也是類似。比如，溫差能量（TEG）采集，其主要原理為賽貝克效應(yīng)，熱電發(fā)生器（TEG）中的溫差可產(chǎn)生電勢，從而將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)換為電能，由于產(chǎn)生熱能條件的特殊性，其不必像光能那樣，采集能量的多與少完全取決于設(shè)備所處環(huán)境中的光線強度。
根據(jù)Grand View Research的分析數(shù)據(jù)，2022年全球能源收集系統(tǒng)市場規(guī)模為6.4661億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到15.039億美元，2022年至2030年的復(fù)合年增長率（CAGR）為11.13%。市場的增長主要源于物聯(lián)網(wǎng)不斷增長的應(yīng)用，包括智能城市、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和機器對機器（M2M）通信等。
不過，能量收集技術(shù)雖然提出很多年了，不過仍需要克服一些挑戰(zhàn)。正如ADI公司在技術(shù)博文中提到的，由于能源的多樣性，系統(tǒng)必須對其進行轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制。另外，還需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo電路和儲能單元，避免受到高壓或功率尖峰的影響。由于能源提供的能量通常非常微弱，電子設(shè)備必須具有很高的工作效率。這些挑戰(zhàn)在MIT的設(shè)計中也得到了印證。這些挑戰(zhàn)就會導(dǎo)致出現(xiàn)不能保證數(shù)據(jù)采集的精確度，很難在其上面擴展功能，設(shè)備難以和平臺形成交互等問題。
不過，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用量仍然在爆發(fā)，且很多設(shè)備的安裝需要能量收集技術(shù)這種創(chuàng)新技術(shù)，因此值得持續(xù)推進。
后記
據(jù)Statista統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達(dá)到9702.2億美元，2022年全球IoT鏈接設(shè)備數(shù)量達(dá)到143億臺。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量增加，維護會是一個很大的挑戰(zhàn)，其中換電池也是維護的一種，能量收集技術(shù)則能夠幫助解決這個痛點。
