El avance de la investigación fue logrado por un equipo dirigido por el profesor Yang Hyunsoo (izquierda). El Dr. Raghav Sharma (derecha), el primer autor del artículo, sostiene un chip incrustado con aproximadamente 50 osciladores de par de giro.
Los ingenieros de NUS cosechan señales WiFi
para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
Con el auge de la era digital, la cantidad de fuentes WiFi para
transmitir información de forma inalámbrica entre dispositivos ha crecido
exponencialmente. Esto da como resultado el uso generalizado de la
frecuencia de radio de 2.4GHz que usa WiFi, con un exceso de señales
disponibles para ser aprovechadas para usos alternativos.
Para aprovechar esta fuente de energía infrautilizada, un equipo de
investigación de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y la Universidad
Tohoku de Japón (TU) ha desarrollado una tecnología que utiliza diminutos
dispositivos inteligentes conocidos como osciladores de par de giro (STO) para
cosechar y Convierta las frecuencias de radio inalámbricas en energía para
alimentar pequeños dispositivos electrónicos. En su estudio, los
investigadores habían cosechado energía con éxito utilizando señales de banda
WiFi para alimentar un diodo emisor de luz (LED) de forma inalámbrica y sin usar
ninguna batería.
“Estamos rodeados de señales WiFi, pero cuando no las usamos para acceder a Internet, están inactivas y esto es un gran desperdicio. Nuestro último resultado es un paso hacia la conversión de las ondas de radio de 2,4 GHz fácilmente disponibles en una fuente de energía ecológica, reduciendo así la necesidad de baterías para alimentar los dispositivos electrónicos que utilizamos con regularidad.
De esta manera, los pequeños dispositivos y
sensores eléctricos se pueden alimentar de forma inalámbrica mediante el uso de
ondas de radiofrecuencia como parte del Internet de las cosas. Con el
advenimiento de las ciudades y hogares inteligentes, nuestro trabajo podría dar
lugar a aplicaciones energéticamente eficientes en comunicaciones, computación
y sistemas neuromórficos ”, dijo el profesor Yang Hyunsoo del Departamento de
Ingeniería Eléctrica e Informática de NUS , quien encabezó el
proyecto.
La investigación se llevó a cabo en colaboración con el equipo de
investigación del profesor Guo Yong Xin, que también es del Departamento de
Ingeniería Eléctrica e Informática de NUS, así como con el profesor Shunsuke
Fukami y su equipo de TU. Los resultados se publicaron en Nature Communications el 18 de mayo de 2021.
Conversión de señales WiFi en energía utilizable
Los osciladores de par de giro son una clase de dispositivos emergentes
que generan microondas y tienen aplicaciones en sistemas de comunicación
inalámbrica. Sin embargo, la aplicación de STO se ve obstaculizada
debido a la baja potencia de salida y al amplio ancho de línea.
Si bien la sincronización mutua de múltiples STO es una forma
de superar este problema, los esquemas actuales, como el acoplamiento magnético
de corto alcance entre múltiples STO, tienen restricciones espaciales. Por
otro lado, la sincronización eléctrica de largo alcance que utiliza osciladores
de vórtice está limitada en respuestas de frecuencia de solo unos pocos cientos
de MHz. También requiere fuentes de corriente dedicadas para las STO
individuales, lo que puede complicar la implementación general en el chip.
Para superar las limitaciones espaciales y de baja frecuencia, el equipo
de investigación ideó una matriz en la que ocho STO están conectados en
serie. Usando esta matriz, las ondas de radio electromagnéticas de 2.4 GHz
que usa WiFi se convirtieron en una señal de voltaje directo, que luego se
transmitió a un capacitor para iluminar un LED de 1.6 voltios. Cuando el
condensador se cargó durante cinco segundos, pudo iluminar el mismo
LED durante un minuto después de que se apagó la alimentación inalámbrica.
En su estudio, los investigadores también destacaron la importancia de
la topología eléctrica para diseñar sistemas STO en chip y compararon el diseño
en serie con el paralelo. Descubrieron que la configuración en
paralelo es más útil para la transmisión inalámbrica debido a una mejor
estabilidad en el dominio del tiempo, comportamiento del ruido espectral y
control sobre la falta de coincidencia de impedancia. Por otro lado, las
conexiones en serie tienen una ventaja para la recolección de energía debido al
efecto aditivo del voltaje de diodo de los STO .
Al comentar sobre la importancia de sus resultados, el Dr.
Raghav Sharma, el primer autor del artículo, compartió: “Además de
crear una matriz STO para transmisión inalámbrica y recolección de energía,
nuestro trabajo también demostró control sobre el estado de sincronización de
las STO acopladas utilizando bloqueo de inyección desde una fuente de
radiofrecuencia externa. Estos resultados son importantes para
posibles aplicaciones de STO sincronizadas, como la computación neuromórfica de
alta velocidad ".
Próximos pasos
Para mejorar la capacidad de recolección de energía de su tecnología,
los investigadores buscan aumentar la cantidad de STO en la matriz que habían
diseñado. Además, planean probar sus
recolectores de energía para cargar de forma inalámbrica otros dispositivos
electrónicos y sensores útiles.
El equipo de investigación también espera trabajar con socios de la
industria para explorar el desarrollo de STO en chip para sistemas inteligentes
autosostenidos, lo que puede abrir posibilidades para la carga inalámbrica y
los sistemas de detección de señal inalámbrica.
Original en Inglés: WWTS
