麻省理工学院取得突破，自给自足传感器从空气中获取能量

数十年来，电池的限制一直制约着我们对关键基础设施进行监测的方式和地点。想象一下这样的情景：嵌入在船舶发动机内部的传感器能够提供实时数据，而无需繁琐的电线或电池更换。由于麻省理工学院（MIT）的研究人员取得的一项突破性进展，这种看似未来主义的愿景离现实更近了一步：他们开发了一种完全自给自足的传感器。

麻省理工学院的研究人员开发了一种传感器，它可以从周围环境中获取能量，而无需电池或有线连接。这种传感器可用于监测难以触及的地方的机器的性能和效率，比如船舶发动机内部。

这款传感器是一种温度传感器，可以夹在携带电流的电线上，比如驱动电机的电线。传感器然后可以捕获电线中电流产生的磁场能量，并用于测量电机的温度。

“这是环境电源——我不必进行特定的、焊接连接就能获取能量。这使得这种传感器非常容易安装，”该论文的高级作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学和机械工程教授史蒂夫·李博士说。

这篇论文发表在IEEE Sensors Journal的1月刊中，描述了创建这种无电池、自给自足传感器的设计原理和挑战。

能量收集传感器的路线图研究人员提供了一个设计指南，帮助工程师平衡环境中的可用能量与设备的传感需求。该指南涵盖了传感器的关键组成部分，如能量收集器、能量存储、电源管理、传感电路和通信模块。

该传感器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。传感器还可以进行冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动其电子设备，使用集成电路和晶体管网络。

这个设计框架不仅局限于使用磁场能量的传感器，还可以应用于使用其他能源源，如振动或阳光的传感器。研究人员设想，这一框架可以实现各种应用的传感器网络，例如工厂、仓库和商业空间，这样的网络更便宜、更容易安装和维护。

“我们提供了一个无电池传感器的示例，展示了它是一个有用的实际可行解决方案。现在，希望其他人能够使用我们的框架推动设计他们自己的传感器，”该论文的第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生丹尼尔·蒙纳格尔说。

对船舶系统的潜在解决方案这种无电池、能量收集传感器对于监测船舶系统可能也有影响，美国海军学院武器与控制工程副教授约翰·唐纳尔说，他未参与这项工作。

唐纳尔表示，在船上获取电源可能很困难，因为插座很少，对于可以插入什么设备有严格的限制。他表示，例如测量泵的振动可以提供轴承和支架健康的实时信息，但为了给后期安装的传感器供电，需要太多额外的基础设施。

“这样的能量收集系统可能使在船上后期安装各种诊断传感器成为可能，并显著降低维护的总体成本，”唐纳尔说。

一个无需维护的系统研究人员还解释了他们是如何避免使用电池的，因为电池会给传感器增加复杂性和安全风险。相反，他们内置了内部能量存储，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，因为它们将能量存储在导电板之间的电场中。它们可以由不同的材料制成，并调整到不同的工作条件、安全要求和可用空间。

团队精心设计了电容器，使其足够大，以存储设备启动并开始收集能量所需的能量，但又足够小，使得充电阶段不会太长。

他们还确保电容器能够在时间推移中即使有能量泄漏也能够存储足够的能量，因为传感器可能在数周或数月之前才开始进行测量。

“你甚至可能没有奢侈派出一名技术员来更换电池。相反，我们的系统是无需维护的。它可以获取能量并自己运行，”蒙纳格尔说。

智能能源管理研究人员还开发了一系列控制算法，动态地测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器是能量管理界面的“大脑”，不断检查存储了多少能量，并推断是将传感器打开还是关闭、进行测量还是将收集器加速到更高档位，以便进行更复杂的感测需求。

他们使用这个设计框架为一款现成的温度传感器设计了一个能量管理电路。该设备利用磁场能量不断采样温度数据，并通过蓝牙将其发送到智能手机界面。

研究人员使用了超低功耗电路设计了这个设备，但很快发现这些电路在断电之前能够承受的电压有严格的限制。收集过多的能量可能导致设备爆炸。

为了避免这种情况，微控制器中的能量收集系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集。他们还发现，通信——传输温度传感器采集的数据——是最耗电的操作。

“确保传感器具有足够的存储能量来传输数据是一个不断的挑战，需要仔细设计，”蒙纳格尔说。

未来发展研究人员计划探索传输数据的能耗更低的手段，例如光学或声学。他们还希望更加严密地对系统可能收到多少能量或传感器可能需要多少能量来进行测量进行建模和预测，以便设备可以更有效地收集更多数据。

“如果你只做你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。有了更多的信息，你可能会了解到关于设备操作的一些意外的东西。我们的框架可以帮助你平衡这些考虑，”李博士说。