Une équipe de chercheurs du MIT a conçu un capteur autonome qui n’a pas besoin de batterie pour fonctionner. Ce capteur est donc capable de récupérer l’énergie de son environnement. Il pourrait améliorer drastiquement la façon dont nous surveillons et contrôlons les systèmes mécaniques et électriques.
Un capteur autonome pour des applications complexes
Les chercheurs du MIT ont développé un capteur qui n’a pas besoin de batterie pour fonctionner. Ce capteur a la capacité de récupérer l’énergie de son environnement, le rendant idéal pour être intégré dans des endroits difficiles d’accès, comme l’intérieur d’un moteur de navire. Il pourrait ainsi recueillir automatiquement des données sur la consommation d’énergie et le fonctionnement de la machine pendant de longues périodes.
Le dispositif, qui est un capteur de température, récolte l’énergie du champ magnétique généré dans l’air libre autour d’un fil. Il suffit de clipser le capteur autour d’un fil qui transporte de l’électricité – peut-être le fil qui alimente un moteur – et il recueillera et stockera automatiquement de l’énergie qu’il utilisera pour surveiller la température du moteur.
Une source d’énergie ambiante pour une installation facile
« C’est de l’énergie ambiante – de l’énergie à laquelle je n’ai pas besoin de faire une connexion spécifique pour obtenir. Et cela rend ce capteur très facile à installer », déclare Steve Leeb, professeur d’ingénierie électrique et d’informatique (EECS) et professeur de génie mécanique, membre du Laboratoire de recherche en électronique, et auteur principal d’un article sur le capteur récoltant de l’énergie.
Un guide de conception pour un capteur récoltant de l’énergie
Dans l’article, qui a été l’article vedette de l’édition de janvier du IEEE Sensors Journal, les chercheurs proposent un guide de conception pour un capteur récoltant de l’énergie qui permet à un ingénieur d’équilibrer l’énergie disponible dans l’environnement avec leurs besoins en détection.
L’article présente une feuille de route pour les composants clés d’un dispositif capable de détecter et de contrôler le flux d’énergie en continu pendant son fonctionnement.
Le cadre de conception polyvalent n’est pas limité aux capteurs qui récoltent l’énergie du champ magnétique, et peut être appliqué à ceux qui utilisent d’autres sources d’énergie, comme les vibrations ou la lumière du soleil. Il pourrait être utilisé pour construire des réseaux de capteurs pour les usines, les entrepôts et les espaces commerciaux qui coûtent moins cher à installer et à entretenir.
Les défis de la conception d’un capteur récoltant de l’énergie
Pour développer un capteur récoltant de l’énergie efficace et sans batterie, les chercheurs ont dû relever trois défis clés.
Premièrement, le système doit être capable de démarrer à froid, c’est-à-dire qu’il peut activer ses composants électroniques sans tension initiale. Ils ont réussi à le faire grâce à un réseau de circuits intégrés et de transistors qui permettent au système de stocker de l’énergie jusqu’à ce qu’il atteigne un certain seuil. Le système ne s’allume que lorsqu’il a stocké suffisamment d’énergie pour fonctionner pleinement.
Deuxièmement, le système doit stocker et convertir l’énergie qu’il récolte de manière efficace, et sans batterie. Bien que les chercheurs auraient pu inclure une batterie, cela aurait ajouté des complexités supplémentaires au système et aurait pu poser un risque d’incendie.
« Il se peut que vous n’ayez même pas le luxe d’envoyer un technicien pour remplacer une batterie. Au lieu de cela, notre système est sans entretien. Il récolte de l’énergie et fonctionne de lui-même », indique Daniel Monagle.
Pour éviter d’utiliser une batterie, ils intègrent un stockage d’énergie interne qui peut inclure une série de condensateurs. Plus simples qu’une batterie, un condensateur stocke de l’énergie dans le champ électrique entre des plaques conductrices. Les condensateurs peuvent être fabriqués à partir d’une variété de matériaux, et leurs capacités peuvent être adaptées à une gamme de conditions de fonctionnement, d’exigences de sécurité et d’espace disponible.
L’équipe a soigneusement conçu les condensateurs pour qu’ils soient suffisamment grands pour stocker l’énergie dont le dispositif a besoin pour s’allumer et commencer à récolter de l’énergie, mais suffisamment petits pour que la phase de charge ne prenne pas trop de temps.
En outre, comme un capteur peut passer des semaines voire des mois avant de s’allumer pour prendre une mesure, ils ont veillé à ce que les condensateurs puissent stocker suffisamment d’énergie même si une partie s’échappe avec le temps.
Enfin, ils ont développé une série d’algorithmes de contrôle qui mesurent et budgétisent dynamiquement l’énergie collectée, stockée et utilisée par le dispositif. Un microcontrôleur, le «cerveau» de l’interface de gestion de l’énergie, vérifie constamment combien d’énergie est stockée et déduit s’il faut allumer ou éteindre le capteur, prendre une mesure, ou pousser le récolteur à un niveau supérieur pour qu’il puisse collecter plus d’énergie pour des besoins de détection plus complexes.
Un capteur autonome en action
En utilisant ce cadre de conception, ils ont construit un circuit de gestion de l’énergie pour un capteur de température commercial. Le dispositif récolte de l’énergie du champ magnétique et l’utilise pour échantillonner en continu des données de température, qu’il envoie à une interface de smartphone via Bluetooth.
Les chercheurs ont utilisé des circuits super basse consommation pour concevoir le dispositif, mais ont rapidement constaté que ces circuits ont des restrictions strictes sur la quantité de tension qu’ils peuvent supporter avant de se dégrader. Récolter trop d’énergie pourrait faire exploser le dispositif.
Pour éviter cela, leur système d’exploitation de récolte d’énergie dans le microcontrôleur ajuste ou réduit automatiquement la récolte si la quantité d’énergie stockée devient excessive.
Ils ont également constaté que la communication – la transmission des données recueillies par le capteur de température – était de loin l’opération la plus gourmande en énergie.
« Assurer que le capteur dispose de suffisamment d’énergie stockée pour transmettre des données est un défi constant qui nécessite une conception soignée », ajoute Daniel Monagle.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’explorer des moyens moins énergivores de transmettre des données, comme l’utilisation de l’optique ou de l’acoustique. Ils veulent également modéliser et prédire de manière plus rigoureuse combien d’énergie pourrait entrer dans un système, ou combien d’énergie un capteur pourrait avoir besoin pour prendre des mesures, afin qu’un dispositif puisse efficacement collecter encore plus de données.
« Si vous ne faites que les mesures que vous pensez nécessaires, vous risquez de manquer quelque chose de vraiment précieux. Avec plus d’informations, vous pourriez être en mesure d’apprendre quelque chose que vous n’attendiez pas sur le fonctionnement d’un dispositif. Notre cadre vous permet d’équilibrer ces considérations », conclut le Professeur Leeb.
En synthèse
Les chercheurs du MIT ont développé un capteur autonome qui récupère l’énergie de son environnement, éliminant ainsi le besoin d’une batterie. Ce capteur pourrait être utilisé dans des endroits difficiles d’accès, comme l’intérieur d’un moteur de navire, pour recueillir des données sur la consommation d’énergie et le fonctionnement de la machine. Le cadre de conception polyvalent du capteur peut être appliqué à d’autres sources d’énergie, comme les vibrations ou la lumière du soleil, ouvrant la voie à des réseaux de capteurs moins coûteux à installer et à entretenir.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un capteur autonome ?
Un capteur autonome est un dispositif qui peut fonctionner sans source d’énergie externe, en récoltant l’énergie de son environnement.
Comment le capteur récolte-t-il l’énergie ?
Le capteur récolte l’énergie du champ magnétique généré dans l’air libre autour d’un fil électrique.
Quels sont les avantages d’un capteur autonome ?
Un capteur autonome peut être installé dans des endroits difficiles d’accès et fonctionner pendant de longues périodes sans nécessiter de maintenance ou de remplacement de batterie.
Quels sont les défis de la conception d’un capteur autonome ?
Les défis comprennent le démarrage à froid du système, le stockage et la conversion efficace de l’énergie récoltée, et le développement d’algorithmes de contrôle pour la gestion de l’énergie.
Quelles sont les applications futures de ce capteur ?
Les chercheurs prévoient d’explorer des moyens moins énergivores de transmettre des données et de modéliser plus rigoureusement l’énergie entrante et sortante d’un système, ce qui pourrait permettre au capteur de collecter encore plus de données.
Références
Article: “Rule the Joule: An Energy Management Design Guide for Self-Powered Sensors » – DOI : 10.1109/JSEN.2023.3336529
