Les chercheurs du MIT ont franchi une étape importante vers la création de systèmes de surveillance sans batterie, ce qui pourrait finalement être utilisée dans des appareils biomédicaux, des capteurs environnementaux dans les régions éloignées et les jauges dans les endroits difficiles à atteindre, entre autres applications.

Des travaux antérieurs du laboratoire du professeur Chandrakasan Anantha du MIT avaient mis l’accent sur ​​le développement de puces informatiques et de communication sans fil qui peuvent fonctionner à des niveaux de puissance très bas, et sur une variété d’appareils qui peuvent récupérer l’énergie de la lumière naturelle, la chaleur et les vibrations de l’environnement. Le dernier développement, réalisé avec l’étudiant en doctorat Saurav Bandyopadhyay, est une puce qui pourrait récupérer ces 3 sources d’énergie ambiante à la fois, optimisant ainsi la fourniture d’énergie

Le circuit combinant ces énergies est décrit dans un document publié cet été dans le Journal de l’IEEE Solid-State Circuits.

"La récupération d’énergie devient une réalité", explique Chandrakasan Anantha, professeur de génie électrique et directeur du département du MIT en génie électrique et informatique. Des puces à faible puissance qui peuvent collecter des données et les transmettent à une installation centrale sont en cours de développement, comme le sont les systèmes pour récupérer l’énergie provenant de sources environnementales. Mais le nouveau design permet une utilisation efficace de multiples sources d’énergie en un seul appareil, un grand avantage puisque beaucoup de ces sources sont intermittentes et imprévisibles. La clé ici est le circuit qui combine efficacement de nombreuses sources d’énergie en une seul," assure Chandrakasan Anantha.

Les appareils individuels nécessaires pour récupérer ces minuscules sources d’énergie, comme la la différence entre la température du corps et de l’air extérieur, ou les mouvements et les vibrations de quoi que ce soit depuis une personne qui marche sur un pont vibrant pendant que le trafic routier passe au-dessus, ont déjà été développés, et beaucoup d’entre eux sont nés dans le laboratoire de Chandrakasan.

Associant l’énergie de ces sources variables nécessite un système de contrôle sophistiqué, explique Bandyopadhyay. En général, chaque source d’énergie nécessite son circuit de commande propre afin de répondre à ses besoins spécifiques. Par exemple, les circuits pour récolter des différences thermiques produisent seulement de 0,02 à 0,15 volts, tandis que les cellules photovoltaïques de faible puissance peuvent générer de 0,2 à 0,7 volts et les systèmes de récupération des vibrations peuvent produire jusqu’à 5 volts. La coordination de ces diverses sources d’énergie en temps réel pour produire une sortie constante est un processus délicat.

So far, most efforts to harness multiple energy sources have simply switched among them, taking advantage of whichever one is generating the most energy at a given moment, Bandyopadhyay says, but that can waste the energy being delivered by the other sources. “Instead of that, we extract power from all the sources,” he says. The approach combines energy from multiple sources by switching rapidly between them.

Another challenge for the researchers was to minimize the power consumed by the control circuit itself, to leave as much as possible for the actual devices it’s powering — such as sensors to monitor heartbeat, blood sugar, or the stresses on a bridge or a pipeline. The control circuits optimize the amount of energy extracted from each source.

The system uses an innovative dual-path architecture. Typically, power sources would be used to charge up a storage device, such as a battery or a supercapacitor, which would then power an actual sensor or other circuit. But in this control system, the sensor can either be powered from a storage device or directly from the source, bypassing the storage system altogether. “That makes it more efficient,” Bandyopadhyay says. The chip uses a single time-shared inductor, a crucial component to support the multiple converters needed in this design, rather than separate ones for each source.

David Freeman, chief technologist for power-supply solutions at Texas Instruments, who was not involved in this work, says, “The work being done at MIT is very important to enabling energy harvesting in various environments. The ability to extract energy from multiple different sources helps maximize the power for more functionality from systems like wireless sensor nodes.”

Only recently, Freeman says, have companies such as Texas Instruments developed very low-power microcontrollers and wireless transceivers that could be powered by such sources. “With innovations like these that combine multiple sources of energy, these systems can now start to increase functionality,” he says. “The benefits from operating from multiple sources not only include maximizing peak energy, but also help when only one source of energy may be available.”

The work has been funded by the Interconnect Focus Center, a combined program of the Defense Advanced Research Projects Agency and companies in the defense and semiconductor industries.

 http://web.mit.edu/newsoffice/2012/chip-power-heat-vibration-light-0709.html