A Internet das Coisas (IoT), ainda na sua infância, está moldando o futuro de muitos setores e também terá um impacto significativo na vida diária. Um dos principais desafios de mover dispositivos IoT do conceito à realidade é ter uma operação de longa duração com fontes de energia fortemente restritas, e, portanto, extrema eficiência de energia. Dispositivos IoT, como sensores, são frequentemente implantados em grande escala e em locais que geralmente são remotos e de difícil manutenção regularmente, tornando assim sua auto-suficiência essencial.

Atualmente, as baterias em dispositivos IoT são muito maiores e até três vezes mais caras do que o único chip que alimentam. Seu tamanho é determinado pelo tempo de vida do nó do sensor, o que afeta diretamente a frequência com que eles precisam ser alterados. Isso tem uma influência importante no custo de manutenção e no impacto no meio ambiente quando as baterias são descartadas. Para estender a vida útil geral, a bateria geralmente é recarregada lentamente, colhendo alguma energia limitada do ambiente, como usar uma célula solar. Contudo, os dispositivos IoT existentes não podem operar sem bateria, e as baterias pequenas são totalmente descarregadas com mais freqüência. Portanto, a miniaturização da bateria muitas vezes resulta em operação altamente descontínua de dispositivos IoT, pois eles param de funcionar sempre que a bateria fica sem energia.

Para resolver essa lacuna de tecnologia, uma equipe de engenheiros da National University of Singapore (NUS) desenvolveu um microchip inovador, chamado BATLESS, que pode continuar a funcionar mesmo quando a bateria fica sem energia. O BATLESS foi projetado com uma nova técnica de gerenciamento de energia que permite que ele se inicialize automaticamente e continue a funcionar sob luz fraca sem a ajuda da bateria, usando uma célula solar muito pequena no chip. Este avanço de pesquisa reduz substancialmente o tamanho das baterias necessárias para alimentar os nós sensores de IoT, tornando-os 10 vezes menores e mais baratos de produzir. O avanço foi apresentado na conferência International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 em San Francisco, o principal fórum global para apresentar avanços em circuitos de estado sólido e sistemas em um chip.

O líder da equipe de pesquisa NUS, Professor Associado Massimo Alioto na Faculdade de Engenharia da NUS, disse, "Demonstramos que as baterias usadas para dispositivos IoT podem ser reduzidas substancialmente, pois nem sempre precisam estar disponíveis para manter uma operação contínua. Lidar com este problema fundamental é um grande avanço em direção à visão final dos nós sensores de IoT sem o uso de baterias, e abrirá o caminho para um mundo com um trilhão de dispositivos IoT. "

A indiferença da bateria é a capacidade dos dispositivos IoT de continuar as operações mesmo quando a bateria está descarregada. Isso é obtido operando em dois modos - energia mínima e energia mínima. Quando a energia da bateria estiver disponível, o chip funciona no modo de energia mínima para maximizar a vida útil da bateria. Contudo, quando a bateria se esgota, o chip muda para o modo de energia mínima e opera com consumo de energia muito baixo de cerca de meio nano-Watt - isso é cerca de um bilhão de vezes menor do que o consumo de energia de um smartphone durante uma chamada telefônica. A energia pode ser fornecida por uma célula solar no chip muito pequena com cerca de meio milímetro quadrado de área, ou outras formas de energia disponíveis no meio ambiente, como vibração ou calor.

A capacidade do chip de alternar entre o modo de energia mínima e o modo de energia mínima se traduz em miniaturização agressiva de baterias de centímetros para alguns milímetros. O microchip BATLESS permite a capacidade incomum de detectar ininterruptamente, processo, captura e registro de data e hora de eventos de interesse, e para que esses dados valiosos sejam transmitidos sem fio para a nuvem quando a bateria ficar disponível novamente. Apesar de estar no modo de energia mínima quando a bateria não está disponível, a velocidade reduzida do microchip ainda é adequada para inúmeras aplicações de IoT que precisam detectar parâmetros que variam lentamente no tempo, incluindo temperatura, umidade, luz, e pressão. Entre muitas outras aplicações, BATLESS é muito adequado para edifícios inteligentes, monitoramento ambiental, gerenciamento de energia, e adaptação dos espaços residenciais às necessidades dos ocupantes.

Assoc Prof Alioto adicionado, "BATLESS é o primeiro exemplo de uma nova classe de chips indiferentes à disponibilidade de carga da bateria. No modo de energia mínima, ele usa 1, 000 a 100, 000 vezes menos potência, em comparação com os melhores microcontroladores existentes, projetados para operação com energia mínima fixa. Ao mesmo tempo, nosso microcontrolador de 16 bits também pode operar 100, 000 vezes mais rápido do que outros que foram recentemente projetados para operação com potência mínima fixa. Resumidamente, o microchip BATLESS cobre uma gama muito ampla de energia possível, potência, e compensações de velocidade, conforme permitido pela flexibilidade oferecida pelos dois modos diferentes. "

O BATLESS também está equipado com uma nova técnica de gerenciamento de energia que permite operações de autoinicialização enquanto alimentada diretamente pela minúscula célula solar no chip, sem assistência de bateria. A equipe demonstrou isso com intensidade de luz interna de 50 lux, que é equivalente à luz fraca disponível no crepúsculo, e corresponde a nano Watts de potência. Isso torna o BATLESS indiferente à disponibilidade da bateria, abordando um desafio anteriormente não resolvido em chips sem bateria.

A equipe de engenharia da NUS agora está explorando novas soluções para construir sistemas completos indiferentes à bateria que cobrem toda a cadeia de sinal do sensor às comunicações sem fio, expandindo assim o trabalho atual em microcontroladores e gerenciamento de energia. A equipe de pesquisa tem como objetivo demonstrar uma solução que reduz a bateria à escala milimétrica, com o objetivo de longo prazo de eliminar completamente a necessidade dele. Este será um passo importante para a realização da visão da IoT em todo o mundo, e também tornar o planeta mais verde e inteligente.