Как было бы здорово, если бы ваш смартфон, ноутбук, автомобиль и бытовые приборы могли постоянно взаимодействовать и обмениваться информацией друг с другом - чтобы сделать вашу жизнь более комфортной и легкой. 

IoT. Journal Interesting Engineeri. structuresxx/iStock

Эта удивительная концепция может стать реальностью благодаря Интернету вещей (IoT) - технологии, использующей датчики, программное обеспечение и Интернет для организации сети между всеми вашими физическими устройствами и гаджетами. Хотя технология IoT еще только начинает развиваться, возможно, вы удивитесь, когда узнаете, что она уже давно используется. 

Например, смарт-часы, фитнес-трекеры, умные домашние системы безопасности и множество других устройств, которые постоянно обмениваются данными с вашим смартфоном, чтобы держать вас в курсе ваших звонков, встреч, сердечного ритма, состояния дверных замков и т.д. - все это приложения IoT.

Нам еще только предстоит раскрыть весь потенциал IoT, однако до этого необходимо преодолеть серьезную проблему. Датчики, благодаря которым функционируют сети IoT, нуждаются в питани. К сожалению, существующих энергетических ресурсов недостаточно для удовлетворения этих потребностей. 

Группа исследователей из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии давно работает над этой проблемой, и в своем последнем исследовании они предлагают любопытное решение. Авторы подробно рассказали об электронике с беспроводным питанием, способной удовлетворить потребности сетей IoT устойчивым и экологичным способом.

Батарейки не подойдут 

В настоящее время питание датчиков осуществляется с помощью литий-ионных аккумуляторов. Хотя батареи могут обеспечить энергией крупную сеть устройств, их необходимо постоянно заменять. Таким образом, подход, основанный на использовании батарей, является дорогостоящим, неустойчивым и вредным для окружающей среды. 

В частности, обычные батареи изготавливаются из металлов, которые являются результатом добычи полезных ископаемых, что приводит к загрязнению воздуха и почвы. Кроме того, если эти элементы не утилизируются надлежащим образом, они выбрасывают токсичные химические вещества в окружающую среду. 

Световые дорожки, изображающие беспроводное питание. Journal Interesting Engineering. Pixabay/Pexels

Более того, в будущем, когда приложения IoT станут более распространенными, могут появиться миллиарды или даже триллионы датчиков, которые будут работать все вместе. Такие масштабные сети могут настолько изменить динамику поставок и спроса на батареи, что у нас либо не хватит аккумуляторов для питания всех датчиков в мире, либо они станут недоступными для большинства потребителей.

А вот беспроводная энергия может помочь.

Авторы проекта считают, что идеальным решением этой проблемы может стать беспроводное энергоснабжение датчиков IoT. В этом могут помочь новые технологии, такие как фотоэлектрические элементы (PVCs, используемые в солнечных батареях), широкозонная электроника (LAEs) и радиочастотные (РЧ) сборщики энергии.

При сборе радиочастотной энергии используются оксиды металлов и специальные полупроводниковые устройства, называемые диодами Шоттки. Они генерируют беспроводную энергию с помощью электромагнитных волн. LAE — это электроника нового поколения, которая может быть напечатана или изготовлена с использованием мягких, гибких, гибридных и настраиваемых материалов. 

По словам исследователей, такие материалы позволяют производить биоразлагаемые платы и подложки (LAEs) даже при низких температурах. В отличие от традиционной электроники на основе кремния, такие элементы способны обеспечить беспроводное питание датчиков экологичным способом. 

Объясняя значение радиочастотных сборщиков энергии и LAE для беспроводного питания сенсорных устройств, один из исследователей и выпускник KAUST д-р Калаиванан Логанатан сказал: "Эти устройства являются важнейшими компонентами беспроводных сборщиков энергии и в конечном итоге обуславливают производительность и стоимость сенсорных узлов".

"Эти технологии позволят создать необходимые строительные блоки для более устойчивого способа питания миллиардов сенсорных узлов в ближайшем будущем",- добавил ученый.

Технологии еще предстоит интегрировать

Авторы считают, что сенсорные узлы с беспроводным питанием могут получать энергию от PVCs и радиочастотных комбайнов через LAE и обеспечивать работу сетей IoT в больших масштабах. Например, в своей научной статье команда KAUST описывает масштабируемый метод, использующий радиочастотные диоды для сбора энергии, которая попадает в диапазоны частот 5G и 6G.

Это исследование весьма интересно, поскольку оно полностью исключает аккумуляторные батареи из общей концепции IoT и предлагает экологичный и устойчивый подход. Однако команде KAUST еще предстоит выяснить, как такие технологии, как PVC, LAE и радиочастотные комбайны будут работать вместе.

Идея сенсорных диодов с беспроводным питанием кажется довольно оригинальной, но ее реализация зависит от успеха интеграции вышеупомянутых технологий. Доктор Логанатан заявил, что интеграция — это следующий шаг их исследований. Он сказал: "В настоящее время команда изучает возможность монолитной интеграции маломощных устройств с антенной и датчиками, чтобы раскрыть их истинный потенциал".

Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.

Источники и ссылки:  journal Nature Electronics, Journal Interesting Engineering, Princeton University.
https://dx.doi.org/10.1038/s41928-022-00898-5
https://dataspace.princeton.edu/handle/88435/dsp011r66j426z
https://interestingengineering.com/innovation/wireless-electronics-can-power-trillions-of-iot-sensors-heres-how