[lid] Un sistema progettato al MIT potrebbe consentire ai sensori di funzionare in ambienti remoti, senza batterie.

I ricercatori del MIT hanno sviluppato un sensore autoalimentato e senza batteria in grado di raccogliere energia dall’ambiente.

Poiché non richiede batterie da ricaricare o sostituire, e poiché non richiede cablaggi speciali, un sensore di questo tipo potrebbe essere incorporato in un luogo difficile da raggiungere, come all’interno dei meccanismi interni del motore di una nave. Lì, potrebbe raccogliere automaticamente dati sul consumo energetico e sulle operazioni della macchina per lunghi periodi di tempo.

I ricercatori hanno costruito un dispositivo di rilevamento della temperatura che raccoglie energia dal campo magnetico generato all’aria aperta attorno a un filo. Si potrebbe semplicemente agganciare il sensore attorno a un filo che trasporta elettricità – forse il filo che alimenta un motore – e raccoglierà e immagazzinerà automaticamente l’energia che utilizza per monitorare la temperatura del motore.

“Questa è energia ambientale: energia che non devo creare una connessione specifica e saldata per ottenere. E questo rende questo sensore molto facile da installare”, afferma Steve Leeb, professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS) e professore di ingegneria meccanica, membro del laboratorio di ricerca di elettronica e autore senior di uno studio carta sul sensore di raccolta energia.

Nel documento , apparso come articolo di primo piano nel numero di gennaio dell’IEEE Sensors Journal , i ricercatori offrono una guida alla progettazione per un sensore di raccolta di energia che consente a un ingegnere di bilanciare l’energia disponibile nell’ambiente con le proprie esigenze di rilevamento.

Il documento delinea una tabella di marcia per i componenti chiave di un dispositivo in grado di rilevare e controllare continuamente il flusso di energia durante il funzionamento.

La struttura di progettazione versatile non si limita ai sensori che raccolgono energia dal campo magnetico e può essere applicata a quelli che utilizzano altre fonti di energia, come vibrazioni o luce solare. Potrebbe essere utilizzato per costruire reti di sensori per fabbriche, magazzini e spazi commerciali che costano meno da installare e mantenere.

“Abbiamo fornito un esempio di sensore senza batteria che fa qualcosa di utile e abbiamo dimostrato che si tratta di una soluzione praticamente realizzabile. Ora si spera che altri utilizzino la nostra struttura per avviare la progettazione dei propri sensori”, afferma l’autore principale Daniel Monagle, uno studente laureato EECS.

Monagle e Leeb sono affiancati nel documento dallo studente laureato EECS Eric Ponce.

John Donnal, professore associato di ingegneria delle armi e dei controlli presso l’Accademia navale degli Stati Uniti che non è stato coinvolto in questo lavoro, studia tecniche per monitorare i sistemi navali. Ottenere l’energia elettrica su una nave può essere difficile, dice, poiché ci sono pochissime prese e restrizioni rigorose su quali apparecchiature possono essere collegate.

“Misurare costantemente la vibrazione di una pompa, ad esempio, potrebbe fornire all’equipaggio informazioni in tempo reale sullo stato dei cuscinetti e dei supporti, ma alimentare un sensore di retrofit spesso richiede così tante infrastrutture aggiuntive che l’investimento non vale la pena”, aggiunge Donnal . “Sistemi di raccolta dell’energia come questo potrebbero rendere possibile l’aggiornamento di un’ampia varietà di sensori diagnostici sulle navi e ridurre significativamente il costo complessivo della manutenzione”.

Una guida pratica

I ricercatori hanno dovuto affrontare tre sfide chiave per sviluppare un sensore efficace e senza batteria per la raccolta di energia.

Innanzitutto, il sistema deve essere in grado di avviarsi a freddo, il che significa che può accendere i suoi componenti elettronici senza tensione iniziale. Sono riusciti a raggiungere questo obiettivo con una rete di circuiti integrati e transistor che consentono al sistema di immagazzinare energia fino a raggiungere una determinata soglia. Il sistema si accenderà solo dopo aver immagazzinato energia sufficiente per funzionare completamente.

In secondo luogo, il sistema deve immagazzinare e convertire l’energia raccolta in modo efficiente e senza batteria. Anche se i ricercatori avrebbero potuto includere una batteria, ciò avrebbe aggiunto ulteriori complessità al sistema e avrebbe potuto comportare un rischio di incendio.

“Potresti anche non avere il lusso di inviare un tecnico per sostituire una batteria. Invece, il nostro sistema non richiede manutenzione. Raccoglie energia e funziona da solo”, aggiunge Monagle.

Per evitare l’utilizzo di una batteria, incorporano un accumulo interno di energia che può includere una serie di condensatori. Più semplice di una batteria, un condensatore immagazzina energia nel campo elettrico tra piastre conduttrici. I condensatori possono essere realizzati con una varietà di materiali e le loro capacità possono essere adattate a una gamma di condizioni operative, requisiti di sicurezza e spazio disponibile.

Il team ha progettato attentamente i condensatori in modo che siano abbastanza grandi da immagazzinare l’energia di cui il dispositivo ha bisogno per accendersi e iniziare a raccogliere energia, ma abbastanza piccoli da non richiedere troppo tempo alla fase di ricarica.

Inoltre, poiché un sensore potrebbe impiegare settimane o addirittura mesi prima di accendersi per effettuare una misurazione, hanno assicurato che i condensatori potessero trattenere energia sufficiente anche in caso di perdite nel tempo.

Infine, hanno sviluppato una serie di algoritmi di controllo che misurano e quantificano dinamicamente l’energia raccolta, immagazzinata e utilizzata dal dispositivo. Un microcontrollore, il “cervello” dell’interfaccia di gestione dell’energia, controlla costantemente quanta energia viene immagazzinata e deduce se accendere o spegnere il sensore, effettuare una misurazione o spingere la mietitrice su una marcia più alta in modo che possa raccogliere più energia per esigenze sensoriali più complesse.

“Proprio come quando si cambia marcia su una bicicletta, l’interfaccia di gestione dell’energia controlla come sta andando la mietitrice, essenzialmente vedendo se sta pedalando troppo forte o troppo piano, e poi varia il carico elettronico in modo da poter massimizzare la quantità di potenza sta raccogliendo e adattare il raccolto alle esigenze del sensore”, spiega Monagle.

Sensore autoalimentato

Utilizzando questo quadro di progettazione, hanno costruito un circuito di gestione dell’energia per un sensore di temperatura standard. Il dispositivo raccoglie l’energia del campo magnetico e la utilizza per campionare continuamente i dati sulla temperatura, che invia a un’interfaccia smartphone tramite Bluetooth.

I ricercatori hanno utilizzato circuiti a bassissima potenza per progettare il dispositivo, ma hanno subito scoperto che questi circuiti hanno rigide restrizioni sulla quantità di tensione che possono sopportare prima di rompersi. Raccogliere troppa energia potrebbe causare l’esplosione del dispositivo.

Per evitare ciò, il loro sistema operativo di raccolta di energia nel microcontrollore regola o riduce automaticamente la raccolta se la quantità di energia immagazzinata diventa eccessiva.

Hanno anche scoperto che la comunicazione, ovvero la trasmissione dei dati raccolti dal sensore di temperatura, era di gran lunga l’operazione più assetata di energia.

“Garantire che il sensore abbia abbastanza energia immagazzinata per trasmettere i dati è una sfida costante che richiede un’attenta progettazione”, afferma Monagle.

In futuro, i ricercatori intendono esplorare mezzi meno dispendiosi in termini energetici per trasmettere dati, come l’utilizzo dell’ottica o dell’acustica. Vogliono anche modellare e prevedere in modo più rigoroso la quantità di energia che potrebbe entrare in un sistema o la quantità di energia necessaria a un sensore per effettuare misurazioni, in modo che un dispositivo possa raccogliere efficacemente ancora più dati.

“Se effettui solo le misurazioni che ritieni necessarie, potresti perdere qualcosa di veramente prezioso. Con ulteriori informazioni, potresti essere in grado di imparare qualcosa che non ti aspettavi sulle operazioni di un dispositivo. La nostra struttura consente di bilanciare queste considerazioni”, afferma Leeb.  

“Questo documento è ben documentato riguardo a ciò che un pratico nodo sensore autoalimentato dovrebbe comportare internamente per scenari realistici. Le linee guida generali di progettazione, in particolare sulla questione dell’avviamento a freddo, sono molto utili”, afferma Jinyeong Moon, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso il College of Engineering della Florida State University, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “Gli ingegneri che intendono progettare un modulo autoalimentato per un nodo di sensori wireless trarranno grandi benefici da queste linee guida, spuntando facilmente liste di controllo tradizionalmente ingombranti relative all’avvio a freddo”.

Il lavoro è sostenuto, in parte, dall’Office of Naval Research e dalla Grainger Foundation.