Bài toán cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử nhỏ

Nhằm khai thác nguồn năng lượng ít được sử dụng này, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) và Đại học Tohoku (TU) của Nhật Bản phát triển công nghệ sử dụng thiết bị thông minh nhỏ xíu được gọi là bộ tạo dao động mô-men xoắn (STO) để thu và chuyển đổi tần số vô tuyến không dây thành năng lượng cung cấp cho các thiết bị điện tử nhỏ.

Trong nghiên cứu, nhóm nhà nghiên cứu thu hoạch thành công năng lượng bằng cách sử dụng tín hiệu băng tần WiFi cấp nguồn không dây cho đi-ốt phát quang (LED) mà không cần sử dụng bất kỳ loại pin nào.

Giáo sư Yang Hyunsoo từ Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính của NUS, người đứng đầu dự án cho biết: “Chúng tôi được bao quanh bởi các tín hiệu WiFi, nhưng khi chúng tôi không sử dụng để truy cập Internet, chúng sẽ không hoạt động và đây là sự lãng phí rất lớn. Kết quả mới nhất của chúng tôi là một bước hướng tới việc biến sóng vô tuyến 2,4 GHz sẵn có thành nguồn năng lượng xanh, nhờ đó giảm nhu cầu sử dụng pin để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng thường xuyên. Bằng cách này, các thiết bị điện nhỏ và cảm biến có thể được cấp nguồn không dây bằng cách sử dụng sóng tần số vô tuyến như một phần của Internet vạn vật. Với sự ra đời của những ngôi nhà và thành phố thông minh, công việc của chúng tôi giúp tạo ra những ứng dụng tiết kiệm năng lượng trong mọi hệ thống liên lạc, điện toán và thần kinh học”.

Nghiên cứu được thực hiện với sự cộng tác từ nhóm nghiên cứu của Giáo sư Guo Yong Xin, người cũng đến từ Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính của NUS, cũng như Giáo sư Shunsuke Fukami và nhóm của ông từ TU.

Chuyển đổi tín hiệu WiFi thành năng lượng

Bộ tạo dao động mô-men xoắn là loại thiết bị mới nổi tạo ra vi sóng và có ứng dụng trong mạng hệ thống truyền thông không dây. Tuy nhiên, việc áp dụng STO bị cản trở do công suất đầu ra thấp và băng thông rộng. Mặc dù đồng bộ hóa lẫn nhau của nhiều STO là một cách để khắc phục vấn đề này, nhưng các sơ đồ hiện tại - chẳng hạn như khớp nối từ tính tầm ngắn giữa nhiều STO - có một số hạn chế về không gian. Mặt khác, đồng bộ hóa điện tầm xa sử dụng bộ tạo dao động xoáy bị giới hạn ở đáp ứng tần số chỉ vài trăm MHz. Nó cũng yêu cầu các nguồn hiện tại dành riêng cho những STO riêng lẻ, điều này có thể làm phức tạp việc triển khai tổng thể trên chip.

Nhằm khắc phục những hạn chế về không gian và tần số thấp, nhóm nghiên cứu đưa ra một mảng trong đó 8 STO được kết nối nối tiếp. Sử dụng mảng này, sóng vô tuyến điện từ 2,4 GHz mà Wi-Fi sử dụng được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp trực tiếp, sau đó tín hiệu này được truyền tới một tụ điện để thắp sáng đèn LED 1,6 vôn. Khi tụ điện được sạc trong 5 giây, nó có thể sáng cùng một đèn LED trong 1 phút sau khi tắt nguồn không dây.

Nhóm nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của cấu trúc liên kết điện đối với việc thiết kế các hệ thống STO trên chip và so sánh thiết kế nối tiếp với thiết kế song song. Họ phát hiện cấu hình song song hữu ích hơn cho truyền dẫn không dây do độ ổn định miền thời gian tốt hơn, hành vi nhiễu quang phổ và kiểm soát sự không phù hợp trở kháng.

Mặt khác, những kết nối nối tiếp có lợi thế cho việc khai thác năng lượng do hiệu ứng cộng của điện áp đi-ốt từ STO. Nhận xét về tầm quan trọng từ kết quả của họ, Tiến sĩ Raghav Sharma, tác giả đầu tiên của bài báo, chia sẻ: “Bên cạnh việc đưa ra một mảng STO để truyền không dây và thu hoạch năng lượng, công việc của chúng tôi cũng chứng minh khả năng kiểm soát trạng thái đồng bộ hóa của các STO được ghép nối sử dụng khóa tiêm từ nguồn tần số vô tuyến bên ngoài. Những kết quả này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng tiềm năng của STO được đồng bộ hóa, chẳng hạn như điện toán mô phỏng thần kinh tốc độ nhanh”.

Để tăng cường khả năng khai thác năng lượng cho công nghệ của họ, nhóm nhà nghiên cứu đang tìm cách tăng số lượng STO trong mảng mà họ đã thiết kế. Ngoài ra, họ đang có kế hoạch thử nghiệm máy thu hoạch năng lượng của mình để sạc không dây cho mọi thiết bị điện tử và cảm biến hữu ích khác. Nhóm nghiên cứu cũng hy vọng sẽ hợp tác với các đối tác trong ngành để khám phá sự phát triển của STO trên chip cho những hệ thống thông minh tự duy trì, có thể mở ra khả năng sạc không dây và hệ thống phát hiện tín hiệu không dây.

Sử dụng sóng siêu âm để sạc thiết bị điện tử cấy ghép

Công nghệ mới cải thiện hiệu quả truyền năng lượng không dây của sóng siêu âm bằng cách phát điện ma sát. Sóng siêu âm có nhiều ứng dụng trong sạc pin không dây dưới nước hoặc trong những thiết bị điện tử cấy ghép cơ thể. Số lượng bệnh nhân sử dụng thiết bị điện tử cấy ghép - chẳng hạn như máy tạo nhịp tim nhân tạo và máy khử rung tim - đang gia tăng trên toàn thế giới khi dân số già đi và công nghệ y tế tiến bộ.

Hiện tại, pin cho thiết bị cấy ghép cơ thể được thay thế thông qua phẫu thuật rạch, có thể dẫn đến một số biến chứng về sức khỏe. Do đó, một kỹ thuật sạc truyền năng lượng không dây mới đang được phát triển có thể được sử dụng để sạc thiết bị cấy ghép trong cơ thể mà không cần phẫu thuật.

Công nghệ tương tự này cũng có thể được sử dụng để sạc pin cho loạt thiết bị dưới nước - chẳng hạn như cảm biến, được sử dụng để theo dõi điều kiện của cáp dưới biển. Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST, Chủ tịch: Seok-Jin Yoon) thông báo rằng, một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Hyun-Cheol Song dẫn đầu tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Điện tử đã phát triển một công nghệ truyền tải điện không dây siêu âm có thể áp dụng ở trên.

Cảm ứng điện từ (EM) và cộng hưởng từ có thể được sử dụng trong truyền năng lượng không dây. Cảm ứng EM hiện đang được sử dụng trong điện thoại thông minh và tai nghe không dây; tuy nhiên, việc sử dụng nó bị hạn chế vì sóng EM không thể xuyên qua nước hoặc kim loại, dẫn đến khoảng cách sạc ngắn. Ngoài ra, phương pháp này không thể dễ dàng sử dụng để sạc lại thiết bị y tế cấy ghép vì nhiệt sinh ra trong quá trình sạc có hại.

Phương pháp cộng hưởng từ yêu cầu tần số cộng hưởng của thiết bị phát và phát từ trường phải hoàn toàn giống nhau; hơn nữa, có nguy cơ nhiễu sóng với các tần số liên lạc không dây khác - chẳng hạn như Wi-Fi và Bluetooth. Do đó, nhóm KIST chọn sử dụng sóng siêu âm làm phương tiện truyền năng lượng, thay vì sóng EM hoặc từ trường. Sonar, sử dụng sóng siêu âm, thường được sử dụng trong môi trường dưới nước và sự an toàn của việc sử dụng sóng siêu âm trong cơ thể con người đã được đảm bảo trong nhiều ứng dụng y tế khác nhau - chẳng hạn như chẩn đoán tình trạng cơ quan hoặc thai nhi.

Tuy nhiên, các phương pháp truyền năng lượng âm thanh hiện tại không dễ dàng được thương mại hóa do hiệu suất truyền năng lượng âm thanh thấp. Nhóm nghiên cứu phát triển một mô hình nhận và chuyển đổi sóng siêu âm thành năng lượng điện bằng cách sử dụng nguyên lý điện ma sát cho phép chuyển đổi các rung động cơ học nhỏ thành năng lượng điện một cách hiệu quả.

Bằng cách thêm vật liệu sắt điện vào máy phát điện ma sát, hiệu suất truyền năng lượng siêu âm được cải thiện đáng kể từ dưới 1% lên hơn 4%. Hơn nữa, có thể sạc công suất hơn 8 mW ở khoảng cách 6cm, đủ để vận hành đồng thời 200 đèn LED hoặc để truyền dữ liệu cảm biến Bluetooth dưới nước. Ngoài ra, thiết bị mới được phát triển chỉ tạo ra một lượng nhiệt nhỏ.

Tiến sĩ Song giải thích tầm quan trọng của kết quả như sau: “Nghiên cứu này chứng minh rằng các thiết bị điện tử có thể được điều khiển bằng cách sạc điện không dây qua sóng siêu âm. Nếu tính ổn định và hiệu quả của thiết bị được cải thiện hơn nữa trong tương lai, công nghệ này có thể được áp dụng để cung cấp năng lượng không dây cho các cảm biến cấy ghép hoặc cảm biến dưới biển sâu, trong đó có việc thay thế pin rất cồng kềnh”.

KIST được thành lập vào năm 1966 với tư cách là viện nghiên cứu đầu tiên do chính phủ tài trợ để thiết lập chiến lược phát triển quốc gia dựa trên khoa học và công nghệ và phổ biến những công nghệ công nghiệp khác nhau để phát triển các ngành công nghiệp chính. KIST hiện đang nâng cao vị thế khoa học và công nghệ của Hàn Quốc thông qua nghiên cứu và phát triển sáng tạo hàng đầu thế giới.

Link gốc