无需电池、自供电，MIT开发出新型传感器

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员发表论文称，该团队开发出了一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。由于它不需要必须充电或更换电池，也不需要特殊的布线，这种传感器可以被嵌入到难以触及的地方，比如船舶发动机的内部结构中。

论文作者之一、MIT电气工程与计算机科学和机械工程教授史蒂夫·李博士指出，“这款传感器从环境电源中获取能量，并且不需要额外的特殊装置。”
 
论文第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生丹尼尔·蒙纳格尔表示：“我们提供了一个无电池传感器的范例，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。”
 

MIT的自供电传感器

根据论文，MIT研究团队设计一种环境感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量，然后给温度传感器供电，而无需电池或有线连接。
 
这款自供电的传感器共分为以下几个部分：能量收集器、能量存储、电源管理、传感电路和通信模块。为了避免使用电池，这款传感器采用了内部储能技术，包括一系列电容器。为了让能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，研究团队重新设计了电容器，这款电容器不需要太长时间就可以充满电。
 
同时，这款传感器对电流有精准的控制——可以在运行过程中持续感知和控制能量流，并将多余的能量存储以备后用。该研究团队还为此专门设计了控制算法，这个算法能够动态地测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器和算法配合，成为整个传感器的大脑，主要负责能量的检测，以及决定什么时候打开和关闭传感器。
 

图源：MIT论文

 
为了让传感器能够利用储存的能量稳定工作，MIT研究团队在设计这款传感器时主要采用超低功耗的电路设计，并且配合精密算法来控制设备，防止因为收集能量过多而爆炸。针对这款传感器，研究团队认为，未来优化方向之一是探索传输数据的能耗更低的手段，例如光学或声学，进一步降低系统的能耗。
 

能量收集技术的发展

毫无疑问，MIT这款传感器是能量收集技术的一个典型应用。能量收集技术能够从自然环境中获取能量，而并非依赖电池或其他类型所产生的电力。能量收集的类型有很多，光能、温差、振动、射频（RF）等能量都可以成为能量源。
 
上面提到了磁场能量变化的收集，其实其他类型的能量收集也是类似。比如，温差能量（TEG）采集，其主要原理为赛贝克效应，热电发生器（TEG）中的温差可产生电势，从而将热源中的废热转换为电能，由于产生热能条件的特殊性，其不必像光能那样，采集能量的多与少完全取决于设备所处环境中的光线强度。
 
根据Grand View Research的分析数据，2022年全球能源收集系统市场规模为6.4661亿美元，预计到2030年将达到15.039亿美元，2022年至2030年的复合年增长率（CAGR）为11.13%。市场的增长主要源于物联网不断增长的应用，包括智能城市、智能家居、工业物联网（IIoT）和机器对机器（M2M）通信等。
 
不过，能量收集技术虽然提出很多年了，不过仍需要克服一些挑战。正如ADI公司在技术博文中提到的，由于能源的多样性，系统必须对其进行转换、调节和控制。另外，还需要适当的保护电路和储能单元，避免受到高压或功率尖峰的影响。由于能源提供的能量通常非常微弱，电子设备必须具有很高的工作效率。这些挑战在MIT的设计中也得到了印证。这些挑战就会导致出现不能保证数据采集的精确度，很难在其上面扩展功能，设备难以和平台形成交互等问题。
 
不过，物联网设备用量仍然在爆发，且很多设备的安装需要能量收集技术这种创新技术，因此值得持续推进。
 

后记

据Statista统计数据，2022年全球物联网市场规模达到9702.2亿美元，2022年全球IoT链接设备数量达到143亿台。随着物联网设备数量增加，维护会是一个很大的挑战，其中换电池也是维护的一种，能量收集技术则能够帮助解决这个痛点。