Έξυπνο μικροτσίπ μπορεί να λειτουργήσει ακόμα κι αν εξαντληθεί η μπαταρία

Έξυπνο μικροτσίπ μπορεί να λειτουργήσει ακόμα κι αν εξαντληθεί η μπαταρία.

Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT), μολονότι βρίσκεται ακόμη σε βρεφική ηλικία, διαμορφώνει το μέλλον πολλών βιομηχανιών και θα επηρεάσει επίσης την καθημερινή ζωή με πολλούς και σημαντικούς τρόπους.

Μία από τις βασικές προκλήσεις της δημιουργίας αποτελεσματικών συσκευών IoT από την ιδέα στην πραγματικότητα είναι η μακροχρόνια λειτουργία με αυστηρά περιορισμένες πηγές ενέργειας και, συνεπώς, η ακραία αποδοτικότητα της ισχύος.

Οι συσκευές IoT αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα με ενσωματωμένους αισθητήρες, κάτι το οποίο τις διαφοροποιεί από τις υπόλοιπες συσκευές, επιπλέον ένα μέρος των οργανισμών, των υπηρεσιών και των χρηστών που τις χρησιμοποιεί συνήθως βρίσκεται σε απομακρυσμένα μέρη, μακριά από τα αστικά κέντρα, οπότε η αυτονομία καθίσταται απαραίτητο χαρακτηριστικό στοιχείο για να γίνει μία εμπορικά βιώσιμη λύση για το ευρύ καταναλωτικό κοινό.

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες που προορίζονται για τις συσκευές IoT είναι πολύ μεγαλύτερες από το τσιπ που τροφοδοτεί, και έως τρεις φορές πιο ακριβό από ετούτο. Το μέγεθός συνήθως καθορίζει τη διάρκεια ζωής του αισθητήρα, που επηρεάζει άμεσα το πόσο συχνά χρειάζεται να αλλαχθεί.

Αυτό επηρεάζει σημαντικά το κόστος συντήρησης και τις επιπτώσεις στο περιβάλλον, κι όλα αυτά εξαιτίας των μπαταριών. Για να επεκταθεί η συνολική διάρκεια ζωής, η μπαταρία συνήθως επαναφορτίζεται με αργό τρόπο συλλέγοντας κάποια περιορισμένη ισχύ από το περιβάλλον, όπως η χρήση ηλιακής ενέργειας. Ωστόσο, οι υπάρχουσες συσκευές IoT δεν μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς μπαταρία και οι μικρές μπαταρίες εκφορτίζονται συχνά πλήρως.

Ως εκ τούτου, τα μειονεκτήματα των μπαταριών οδηγούν συχνά σε εξαιρετικά ασυνεπή λειτουργία των συσκευών IoT, καθώς σταματούν να λειτουργούν κάθε φορά που η μπαταρία εξαντλείται.

Για να αντιμετωπιστεί αυτό το χάσμα στην τεχνολογία, μια ομάδα μηχανικών από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης (NUS) έχει αναπτύξει ένα καινοτόμο μικροτσίπ, που ονομάζεται BATLESS, το οποίο μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί ακόμα και όταν η μπαταρία εξαντλείται.

Το BATLESS έχει σχεδιαστεί με μια νέα τεχνική διαχείρισης ισχύος που του επιτρέπει να ξεκινάει και να λειτουργεί με χαμηλό φωτισμό χωρίς βοήθεια μπαταρίας, χρησιμοποιώντας ένα πολύ μικρό ηλιακό κύτταρο στο τσιπ. Αυτή η ανακάλυψη της έρευνας μειώνει σημαντικά το μέγεθος των μπαταριών που απαιτούνται για την τροφοδοσία των κόμβων αισθητήρων IoT, καθιστώντας τα 10 φορές μικρότερα και φθηνότερα για παραγωγή.

Η επανάσταση έχει παρουσιαστεί στο συνέδριο της Διεθνούς Διάσκεψης για τα Κυκλώματα Στερεάς Κατάστασης (ISSCC) 2018 στο Σαν Φρανσίσκο, το κορυφαίο παγκόσμιο φόρουμ για την παρουσίαση των προόδων στα κυκλώματα στερεάς κατάστασης και τα συστήματα-on-a-chip.

Ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας NUS, Αναπληρωτής Καθηγητής Massimo Alioto από τη Σχολή Μηχανικών NUS, δήλωσε τα εξής: «Έχουμε αποδείξει ότι οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται για συσκευές IoT μπορούν να συρρικνωθούν σημαντικά, καθώς δεν χρειάζεται πάντα να είναι διαθέσιμες για να διατηρήσουν τη συνεχή λειτουργία τους. Η αντιμετώπιση αυτού του θεμελιώδους προβλήματος αποτελεί σημαντική πρόοδο προς την τελική αδιάλειπτη χρήση των αισθητήρων IoT δίχως να απαιτούνται μπαταρίες και μάλιστα εκτιμάται ότι θα ανοίξει το δρόμο για έναν κόσμο με τρισεκατομμύρια συσκευές IoT ανά την υφήλιο.

Η δυνατότητα των συσκευών IoT να συνεχίσουν να λειτουργούν ακόμα και όταν εξαντληθεί η μπαταρία, πρακτικά αλλάζει τα μέχρι τώρα δεδομένα και θεωρείται μία σπουδαία ανακάλυψη.

Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται με δύο τρόπους – ελάχιστη ενέργεια και ελάχιστη ισχύ. Όταν η ενέργεια της μπαταρίας είναι διαθέσιμη, το τσιπ λειτουργεί σε κατάσταση ελάχιστης ενέργειας για να μεγιστοποιήσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Ωστόσο, όταν εξαντληθεί η μπαταρία, το τσιπ μεταβαίνει στη λειτουργία ελάχιστης ισχύος και λειτουργεί με πολύ χαμηλή κατανάλωση ρεύματος περίπου μισού nano-Watt, δηλαδή είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές χαμηλότερο από την κατανάλωση ενέργειας ενός smartphone κατά τη διάρκεια μιας τηλεφωνικής κλήσης . Η ισχύς μπορεί να παρασχεθεί από ένα πολύ μικρό ηλιακό κύτταρο επάνω στο τσιπ που είναι περίπου μισό χιλιοστό σε μέγεθος,

Επιπλέον μπορεί να συλλεχθεί ενέργεια και με άλλες μορφές διαθέσιμους τρόπους από το περιβάλλον, όπως οι κραδασμοί και η θερμότητα.

Η ικανότητα του μικροεπεξεργαστή να μπορεί να αλλάξει τη λειτουργίας κατάστασης μεταξύ ελάχιστης ισχύος και ελάχιστης ενέργειας μεταφράζεται σε επιθετική σμίκρυνση των μπαταριών από εκατοστά έως και μερικά χιλιοστά.

Ο μικροεπεξεργαστής BATLESS επιτρέπει την ασυνήθιστη δυνατότητα αδιάλειπτης ανίχνευσης, επεξεργασίας, καταγραφής και χρονικής σήμανσης γεγονότων ενδιαφέροντος και για τη μεταφορά τέτοιων πολύτιμων δεδομένων στο σύννεφο όταν η μπαταρία όταν καταστεί ξανά ενεργή.

Παρά το γεγονός ότι όταν θα βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας ελάχιστης ισχύος, όταν η μπαταρία δεν θα είναι ενεργή, η μειωμένη ταχύτητα του μικροτσίπ θα είναι ακόμα επαρκής για πολλές εφαρμογές IoT που χρειάζονται για να ανιχνεύσουν παραμέτρους που ποικίλλουν στο περιβάλλον και το χρόνο, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας, της υγρασίας, του φωτός και της πίεσης. Ανάμεσα σε πολλές άλλες εφαρμογές, το BATLESS είναι πολύ κατάλληλο για τα έξυπνα κτίρια, την παρακολούθηση του περιβάλλοντος, την ενεργειακή διαχείριση και την προσαρμογή των χώρων διαβίωσης στους κατοίκους,

Ο καθηγητής Alioto πρόσθεσε ότι «το BATLESS είναι το πρώτο παράδειγμα μιας νέας κατηγορίας μοντέλων που θα λειτουργούν ακόμα και χωρίς την παρουσία ή τη βοήθεια μιας μπαταρίας. Στη λειτουργία ελάχιστης ισχύος το τσιπ χρησιμοποιεί 1,000 έως 100,000 φορές λιγότερη ισχύ σε σύγκριση με με τα καλύτερα υπάρχοντα μικροτσίπ, σχεδιασμένα για σταθερό ελάχιστη κατασπατάληση ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα το μικροτσίπ 16-bit μπορεί επίσης να λειτουργήσει 100.000 φορές ταχύτερα από κάτι άλλα που έχουν πρόσφατα σχεδιαστεί για σταθερή λειτουργία ελάχιστης ισχύος .. Εν ολίγοις, ο μικροεπεξεργαστής BATLESS καλύπτει ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων από πηγές ενέργειας, ισχύος, και την ταχύτητα επεξεργασίας των πληροφοριών και των δεδομένων».

Το BATLESS είναι επίσης εξοπλισμένο με μια νέα τεχνική διαχείρισης ενέργειας που επιτρέπει την αυτόματη εκκίνηση ενώ τροφοδοτείται απευθείας από το μικροσκοπικό ηλιακό κύτταρο on-chip, χωρίς βοήθεια μπαταρίας. Η ομάδα απέδειξε αυτό το στοιχείο αυτό σε ένταση φωτισμού εσωτερικού χώρου 50 lux, το οποίο είναι ισοδύναμο με το χαμηλό φωτισμό που υπάρχει στο λυκόφως και αντιστοιχεί σε νανο-Watts ισχύος. Αυτό καθιστά το BATLESS αδιάφορο για τη διαθεσιμότητα της μπαταρίας.

Η ομάδα NUS Engineering ερευνά τώρα νέες λύσεις για την κατασκευή ολοκληρωμένων συστημάτων χωρίς μπαταρίες που καλύπτουν ολόκληρη την αλυσίδα των μηχανημάτων και των συσκευών, με αισθητήρες από ασύρματες επικοινωνίες, διευρύνοντας έτσι το τρέχον λειτουργικό πεδίο των μικροτσίπ που σχετίζεται με τη διαχείριση ενέργειας.

Η ερευνητική ομάδα στοχεύει να επιδείξει μια λύση που συρρικνώνει την μπαταρία σε κλίμακα χιλιοστών, με τον μακροπρόθεσμο στόχο να εξαλείψει πλήρως την ανάγκη για αυτήν. Αυτό θα αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση του οράματος IoT παγκοσμίως και θα καταστήσει τον πλανήτη πιο πράσινο και πιο έξυπνο.