無需電池、自供電，MIT開發出新型傳感器
發布日期：2024/1/24 11:07:10 訪問次數：190
麻省理工學院（MIT）的研究人員發表論文稱，該團隊開發出了一種無需電池、自供電的傳感器，可以從環境中獲取能量。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，比如船舶發動機的內部結構中。
論文作者之一、MIT電氣工程與計算機科學和機械工程教授史蒂夫·李博士指出，“這款傳感器從環境電源中獲取能量，并且不需要額外的特殊裝置?！?br />
論文作者、麻省理工學院電氣工程與計算機科學研究生丹尼爾·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計他們自己的傳感器?！?br />
MIT的自供電傳感器
根據論文，MIT研究團隊設計一種環境感應裝置，它能從電線周圍露天產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部儲能技術，包括一系列電容器。為了讓能夠儲存設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的控制——可以在運行過程中持續感知和控制能量流，并將多余的能量存儲以備后用。該研究團隊還為此專門設計了控制算法，這個算法能夠動態地測量和預算設備收集、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，主要負責能量的檢測，以及決定什么時候打開和關閉傳感器。
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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定工作，MIT研究團隊在設計這款傳感器時主要采用超低功耗的電路設計，并且配合精密算法來控制設備，防止因為收集能量過多而爆炸。針對這款傳感器，研究團隊認為，未來優化方向之一是探索傳輸數據的能耗更低的手段，例如光學或聲學，進一步降低系統的能耗。
能量收集技術的發展
毫無疑問，MIT這款傳感器是能量收集技術的一個典型應用。能量收集技術能夠從自然環境中獲取能量，而并非依賴電池或其他類型所產生的電力。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，熱電發生器（TEG）中的溫差可產生電勢，從而將熱源中的廢熱轉換為電能，由于產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備所處環境中的光線強度。
根據Grand View Research的分析數據，2022年全球能源收集系統市場規模為6.4661億美元，預計到2030年將達到15.039億美元，2022年至2030年的復合年增長率（CAGR）為11.13%。市場的增長主要源于物聯網不斷增長的應用，包括智能城市、智能家居、工業物聯網（IIoT）和機器對機器（M2M）通信等。
不過，能量收集技術雖然提出很多年了，不過仍需要克服一些挑戰。正如ADI公司在技術博文中提到的，由于能源的多樣性，系統必須對其進行轉換、調節和控制。另外，還需要適當的保護電路和儲能單元，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，電子設備必須具有很高的工作效率。這些挑戰在MIT的設計中也得到了印證。這些挑戰就會導致出現不能保證數據采集的精確度，很難在其上面擴展功能，設備難以和平臺形成交互等問題。
不過，物聯網設備用量仍然在爆發，且很多設備的安裝需要能量收集技術這種創新技術，因此值得持續推進。
后記
據Statista統計數據，2022年全球物聯網市場規模達到9702.2億美元，2022年全球IoT鏈接設備數量達到143億臺。隨著物聯網設備數量增加，維護會是一個很大的挑戰，其中換電池也是維護的一種，能量收集技術則能夠幫助解決這個痛點。
