Un estudio reciente, afiliado con UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) ha diseñado una plataforma con un sensor autosostenible para monitorear continuamente el ambiente circundante sin tener una fuente de energía externa.
Esta investigación ha sido dirigida por el equipo del Profesor Jaehyouk Choi de Ingeniería Eléctrica e Informática en UNIST en colaboración con el Profesor Wonjoon Choi de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Corea. Los hallazgos, publicados en la edición de marzo de la revista Nano Energy, indican que se espera que la plataforma propuesta contribuya a funciones avanzadas de detección de un sistema autosostenido para varios elementos ambientales objetivo.
En el estudio, el equipo de investigación presentó una plataforma autónoma de detección de movimiento de agua (SS-WMS) para monitorizar y mostrar la dinámica variable del tiempo del movimiento del agua, como la frecuencia y la amplitud, utilizando únicamente la energía producida por el agua, de su movimiento en sí.
Una plataforma de sensores autosostenibles es un componente básico para el Internet de las Cosas (IoT) y sistemas de red inteligente. Las plataformas de sensores existentes requieren energía para operar y mostrar la información detectada. Por lo tanto, el monitoreo, procesamiento y visualización de los cambios minuciosos de un elemento ambiental objetivo en tiempo real sin el uso de fuentes externas de energía o almacenamiento de energía, como las baterías ha sido todo un reto.
El equipo de investigación resolvió este problema con el uso de la captación de energía, una tecnología esencial para plataformas de sensores permanentes. La captación de energía, también conocida como barrido de energía, es una tecnología para la captación de energía de diversas fuentes en el ambiente, como el viento, el agua, la luz, el calor y la energía mecánica para la conversión en energía eléctrica.
«Es prácticamente imposible encender manualmente un gran número de sensores o reemplazar periódicamente las baterías», dice el profesor Choi de UNIST. «El recién desarrollado circuito de semiconductores es capaz de realizar múltiples funciones simultáneamente, que incluyen el barrido de energía y el análisis de la dinámica».
La plataforma de sensores propuesta consiste en un nanogenerador triboeléctrico con un contacto de agua (WC-TENG), un circuito integrado de sensor de movimiento de agua autónomo (SS-WMS IC) en una placa de circuito impreso de prueba (PCB) y un conjunto LED para visualizar las frecuencias detectadas y las amplitudes del movimiento del agua.
Los circuitos que almacenan la energía eléctrica producida y analizan simultáneamente las señales se realizan mediante el proceso CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). CMOS es un método económicamente viable utilizado en la producción de semiconductores, así como circuitos analógicos y digitales. Se compone de transistores de tipo P y tipo N y puede diseñarse como circuitos que procesan varias señales. Además, debido al bajo coste de fabricación, también es una ventaja para la comercialización.
En este estudio, el equipo del profesor Choi diseñó el SS-WMS IC basado en la tecnología CMOS estándar de 65 nm, de manera que un chip semiconductor CMOS del tamaño de un grano de arena para realizar múltiples funciones simultáneamente.
Según el equipo de investigación, su recién desarrollada plataforma SS-WMS ha superado las limitaciones intrínsecas de los anteriores sensores autosuficientes mejorando la fiabilidad y la continuidad de la operación en tiempo real, y proporcionando información más útil y sofisticada de los elementos ambientales objetivo.
También es capaz de llevar a cabo la generación y la producción de energía, la carga de condensadores, el análisis de movimiento de agua, así como el control de LED para mostrar información detectada sin obstaculizar la movilidad de los sensores o exigir esfuerzos significativos y costos de gestión de seguimiento, respectivamente.
Además, debido a que el concepto integrado de una plataforma no requiere una fuente de energía externa y reduce significativamente los requisitos de almacenamiento de energía, puede ser aplicado a plataformas de sensores inalámbricos o sin energía y plantas de energía renovable a escala de cuadrícula.
El profesor Choi señala: «Esta plataforma con un sensor recién desarrollada es un dispositivo de baja potencia que es operado únicamente por la energía producida por el mismo movimiento del agua«. Y agrega: «Puede utilizarse como plataforma de sensores ambientales para el monitoreo continuo de los flujos de agua o corrientes, la cantidad total de lluvia por hora, así como una fuga o derrame accidental de residuos peligrosos en sitios industriales«.
«Toda la operación de la plataforma puede ser alimentada únicamente por la energía producida por el WC-TENG», dice el profesor Choi. «Esperamos que esta plataforma pueda contribuir al desarrollo de nuevos tipos de plataformas de detección autosostenibles para líquidos, como la dinámica del agua del mar y de las olas, el seguimiento de las lluvias y los sistemas permanentes de monitoreo para las fugas de líquidos».
