麻省理工學(xué)院取得突破，自給自足傳感器從空氣中獲取能量

數十年來(lái)，電池的限制一直制約著(zhù)我們對關(guān)鍵基礎設施進(jìn)行監測的方式和地點(diǎn)。想象一下這樣的情景：嵌入在船舶發(fā)動(dòng)機內部的傳感器能夠提供實(shí)時(shí)數據，而無(wú)需繁瑣的電線(xiàn)或電池更換。由于麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員取得的一項突破性進(jìn)展，這種看似未來(lái)主義的愿景離現實(shí)更近了一步：他們開(kāi)發(fā)了一種完全自給自足的傳感器。

麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種傳感器，它可以從周?chē)h(huán)境中獲取能量，而無(wú)需電池或有線(xiàn)連接。這種傳感器可用于監測難以觸及的地方的機器的性能和效率，比如船舶發(fā)動(dòng)機內部。

這款傳感器是一種溫度傳感器，可以?shī)A在攜帶電流的電線(xiàn)上，比如驅動(dòng)電機的電線(xiàn)。傳感器然后可以捕獲電線(xiàn)中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量，并用于測量電機的溫度。

“這是環(huán)境電源——我不必進(jìn)行特定的、焊接連接就能獲取能量。這使得這種傳感器非常容易安裝，”該論文的高級作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)和機械工程教授史蒂夫·李博士說(shuō)。

這篇論文發(fā)表在IEEE Sensors Journal的1月刊中，描述了創(chuàng )建這種無(wú)電池、自給自足傳感器的設計原理和挑戰。

能量收集傳感器的路線(xiàn)圖研究人員提供了一個(gè)設計指南，幫助工程師平衡環(huán)境中的可用能量與設備的傳感需求。該指南涵蓋了傳感器的關(guān)鍵組成部分，如能量收集器、能量存儲、電源管理、傳感電路和通信模塊。

該傳感器可以在運行過(guò)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。傳感器還可以進(jìn)行冷啟動(dòng)，這意味著(zhù)它可以在沒(méi)有初始電壓的情況下啟動(dòng)其電子設備，使用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò )。

這個(gè)設計框架不僅局限于使用磁場(chǎng)能量的傳感器，還可以應用于使用其他能源源，如振動(dòng)或陽(yáng)光的傳感器。研究人員設想，這一框架可以實(shí)現各種應用的傳感器網(wǎng)絡(luò )，例如工廠(chǎng)、倉庫和商業(yè)空間，這樣的網(wǎng)絡(luò )更便宜、更容易安裝和維護。

“我們提供了一個(gè)無(wú)電池傳感器的示例，展示了它是一個(gè)有用的實(shí)際可行解決方案?，F在，希望其他人能夠使用我們的框架推動(dòng)設計他們自己的傳感器，”該論文的第一作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)研究生丹尼爾·蒙納格爾說(shuō)。

對船舶系統的潛在解決方案這種無(wú)電池、能量收集傳感器對于監測船舶系統可能也有影響，美國海軍學(xué)院武器與控制工程副教授約翰·唐納爾說(shuō)，他未參與這項工作。

唐納爾表示，在船上獲取電源可能很困難，因為插座很少，對于可以插入什么設備有嚴格的限制。他表示，例如測量泵的振動(dòng)可以提供軸承和支架健康的實(shí)時(shí)信息，但為了給后期安裝的傳感器供電，需要太多額外的基礎設施。

“這樣的能量收集系統可能使在船上后期安裝各種診斷傳感器成為可能，并顯著(zhù)降低維護的總體成本，”唐納爾說(shuō)。

一個(gè)無(wú)需維護的系統研究人員還解釋了他們是如何避免使用電池的，因為電池會(huì )給傳感器增加復雜性和安全風(fēng)險。相反，他們內置了內部能量存儲，包括一系列電容器。電容器比電池更簡(jiǎn)單，因為它們將能量存儲在導電板之間的電場(chǎng)中。它們可以由不同的材料制成，并調整到不同的工作條件、安全要求和可用空間。

團隊精心設計了電容器，使其足夠大，以存儲設備啟動(dòng)并開(kāi)始收集能量所需的能量，但又足夠小，使得充電階段不會(huì )太長(cháng)。

他們還確保電容器能夠在時(shí)間推移中即使有能量泄漏也能夠存儲足夠的能量，因為傳感器可能在數周或數月之前才開(kāi)始進(jìn)行測量。

“你甚至可能沒(méi)有奢侈派出一名技術(shù)員來(lái)更換電池。相反，我們的系統是無(wú)需維護的。它可以獲取能量并自己運行，”蒙納格爾說(shuō)。

智能能源管理研究人員還開(kāi)發(fā)了一系列控制算法，動(dòng)態(tài)地測量和預算設備收集、存儲和使用的能量。微控制器是能量管理界面的“大腦”，不斷檢查存儲了多少能量，并推斷是將傳感器打開(kāi)還是關(guān)閉、進(jìn)行測量還是將收集器加速到更高檔位，以便進(jìn)行更復雜的感測需求。

他們使用這個(gè)設計框架為一款現成的溫度傳感器設計了一個(gè)能量管理電路。該設備利用磁場(chǎng)能量不斷采樣溫度數據，并通過(guò)藍牙將其發(fā)送到智能手機界面。

研究人員使用了超低功耗電路設計了這個(gè)設備，但很快發(fā)現這些電路在斷電之前能夠承受的電壓有嚴格的限制。收集過(guò)多的能量可能導致設備爆炸。

為了避免這種情況，微控制器中的能量收集系統會(huì )在存儲的能量過(guò)多時(shí)自動(dòng)調整或減少收集。他們還發(fā)現，通信——傳輸溫度傳感器采集的數據——是最耗電的操作。

“確保傳感器具有足夠的存儲能量來(lái)傳輸數據是一個(gè)不斷的挑戰，需要仔細設計，”蒙納格爾說(shuō)。

未來(lái)發(fā)展研究人員計劃探索傳輸數據的能耗更低的手段，例如光學(xué)或聲學(xué)。他們還希望更加嚴密地對系統可能收到多少能量或傳感器可能需要多少能量來(lái)進(jìn)行測量進(jìn)行建模和預測，以便設備可以更有效地收集更多數據。

“如果你只做你認為需要的測量，你可能會(huì )錯過(guò)一些真正有價(jià)值的東西。有了更多的信息，你可能會(huì )了解到關(guān)于設備操作的一些意外的東西。我們的框架可以幫助你平衡這些考慮，”李博士說(shuō)。