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(shù)十年來(lái)，電池的限制一直制約著我們對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(jī)內(nèi)部的傳感器能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而無(wú)需繁瑣的電線或電池更換。由于麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員取得的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，這種看似未來(lái)主義的愿景離現(xiàn)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，它可以從周圍環(huán)境中獲取能量，而無(wú)需電池或有線連接。這種傳感器可用于監(jiān)測(cè)難以觸及的地方的機(jī)器的性能和效率，比如船舶發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。

這款傳感器是一種溫度傳感器，可以?shī)A在攜帶電流的電線上，比如驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電線。傳感器然后可以捕獲電線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量，并用于測(cè)量電機(jī)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(jí)作者、麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)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(shè)計(jì)原理和挑戰(zhàn)。

能量收集傳感器的路線圖研究人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)指南，幫助工程師平衡環(huán)境中的可用能量與設(shè)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(chǔ)、電源管理、傳感電路和通信模塊。

該傳感器可以在運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)感知和控制能量流，并將多余的能量存儲(chǔ)以備后用。傳感器還可以進(jìn)行冷啟動(dòng)，這意味著它可以在沒(méi)有初始電壓的情況下啟動(dòng)其電子設(shè)備，使用集成電路和晶體管網(wǎng)絡(luò)。

這個(gè)設(shè)計(jì)框架不僅局限于使用磁場(chǎng)能量的傳感器，還可以應(yīng)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(shè)想，這一框架可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如工廠、倉(cāng)庫(kù)和商業(yè)空間，這樣的網(wǎng)絡(luò)更便宜、更容易安裝和維護(hù)。

“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。現(xiàn)在，希望其他人能夠使用我們的框架推動(dòng)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)研究生丹尼爾·蒙納格爾說(shuō)。

對(duì)船舶系統(tǒng)的潛在解決方案這種無(wú)電池、能量收集傳感器對(duì)于監(jiān)測(cè)船舶系統(tǒng)可能也有影響，美國(guó)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(xiàng)工作。

唐納爾表示，在船上獲取電源可能很困難，因?yàn)椴遄苌?，?duì)于可以插入什么設(shè)備有嚴(yán)格的限制。他表示，例如測(cè)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(chǔ)設(shè)施。

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

一個(gè)無(wú)需維護(hù)的系統(tǒng)研究人員還解釋了他們是如何避免使用電池的，因?yàn)殡姵貢?huì)給傳感器增加復(fù)雜性和安全風(fēng)險(xiǎn)。相反，他們內(nèi)置了內(nèi)部能量存儲(chǔ)，包括一系列電容器。電容器比電池更簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈儗⒛芰看鎯?chǔ)在導(dǎo)電板之間的電場(chǎng)中。它們可以由不同的材料制成，并調(diào)整到不同的工作條件、安全要求和可用空間。

團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了電容器，使其足夠大，以存儲(chǔ)設(shè)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(zhǎng)。

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(chǔ)足夠的能量，因?yàn)閭鞲衅骺赡茉跀?shù)周或數(shù)月之前才開(kāi)始進(jìn)行測(cè)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(tǒng)是無(wú)需維護(hù)的。它可以獲取能量并自己運(yùn)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(cè)量和預(yù)算設(shè)備收集、存儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)量還是將收集器加速到更高檔位，以便進(jìn)行更復(fù)雜的感測(cè)需求。

他們使用這個(gè)設(shè)計(jì)框架為一款現(xiàn)成的溫度傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)能量管理電路。該設(shè)備利用磁場(chǎng)能量不斷采樣溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙將其發(fā)送到智能手機(jī)界面。

研究人員使用了超低功耗電路設(shè)計(jì)了這個(gè)設(shè)備，但很快發(fā)現(xiàn)這些電路在斷電之前能夠承受的電壓有嚴(yán)格的限制。收集過(guò)多的能量可能導(dǎo)致設(shè)備爆炸。

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

“確保傳感器具有足夠的存儲(chǔ)能量來(lái)傳輸數(shù)據(jù)是一個(gè)不斷的挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，”蒙納格爾說(shuō)。

未來(lái)發(fā)展研究人員計(jì)劃探索傳輸數(shù)據(jù)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(yán)密地對(duì)系統(tǒng)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(cè)量進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，以便設(shè)備可以更有效地收集更多數(shù)據(jù)。

“如果你只做你認(rèn)為需要的測(cè)量，你可能會(huì)錯(cuò)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(shè)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)。