Con el auge de la era digital, la cantidad de fuentes WiFi para transmitir información de forma inalámbrica entre dispositivos ha crecido exponencialmente. El uso generalizado de la frecuencia de radio de 2.4GHz que usa WiFi, con un exceso de señales disponibles infrautilizadas puede ser aprovechadas para usos alternativos como alimentar otros dispositivos.
Para aprovechar esta fuente de energía desperdiciada, un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y la Universidad de Tohoku (TU) de Japón ha desarrollado una tecnología que utiliza pequeños dispositivos inteligentes conocidos como osciladores de par de giro (STO por las siglas en inglés de spin-torque oscillators) para cosechar y convertir 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.
Rodeados de red WiFi sin utilizar
“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 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 usamos 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.
Imagen: 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. (Fuente: nus.edu)
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 una baja potencia de salida y un 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 capacitador 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 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 «.
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.
Fuente: nus.edu
