I årtionden, forskare har letat efter ett bättre batteri. Nu presenterar ett internationellt team en djärv ny lösning:ta bort batteriet helt.

Leds av Northwestern University och Delft University of Technology (TU Delft) i Nederländerna, forskarna har designat och utvecklat ett nytt system som gör det möjligt för batterifria enheter att hålla tid under periodiska strömavbrott, lösa ett kritiskt problem som har dämpat forskningen på området.

Många små, batterifria Internet of Things (IoT)-enheter kan fungera genom att skörda omgivande energi, som solenergi, kinetisk och termisk kraft. Om det antas helt, att använda dessa anordningar skulle förhindra biljoner använda batterier från att hamna på soptippar. Men eftersom de växlar mellan strömkällor, batterifria enheter som notoriskt upplever ofta, korta kraftförluster.

"Naturligtvis, att ta bort batterier får konsekvenser, " sade TU Delfts Przemyslaw Pawelczak, som var med och ledde forskningen. "Det innebär att ha lägre lagringskapacitet och lägre tillförlitlighet. Energi som skördas från miljön är inte alltid förutsägbar."

"Vi har anammat detta och byggt ett system som sammanfogar fragmenterade perioder av avrättning, " sa Northwesterns Josiah Hester, som var med och ledde forskningen. "Vi byggde ett anpassat system som på ett tillförlitligt sätt håller koll på tiden trots många strömavbrott och avbrott för alla IoT-enheter."

Hester och Pawelczak presenterade sitt arbete virtuellt i våras vid årsmötet Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) 2020. Teamet presenterade två artiklar:en som beskriver hårdvaran för den nya tidtagningskretsen och en annan som visar att kretsen kan användas för att konvertera batteridrivna enheter till batterifria enheter.

Hester är biträdande professor i datavetenskap och el- och datateknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Pawelczak är biträdande professor vid TU Delfts Embedded Software Lab.

Tiden är på vår sida

Tidtagning är en av de viktigaste resurserna för alla datorsystem. Underliggande nästan alla systemtjänster och säkerhetsfunktioner, tidtagning hjälper datorn att hålla reda på program som körs. De flesta, dock, Lägg märke till tidtagningsfunktionen först när den slutar fungera.

Om du någonsin har tappat strömmen när du arbetat vid din dator, till exempel, då vet du plågan av att försöka starta om systemet. Det kan ta flera minuter att starta om datorn eftersom den måste komma ihåg var du slutade och köra igenom en lista med operationer. Och då, även när datorn är igång igen, allt osparat arbete kan gå förlorat.

Om detta hände varje gång en liten IoT-enhet, som en smart klocka, fitness tracker, övervakningskamera, smart termostat eller medicinsk sensor – kortvarigt strömavbrott, dessa anordningar skulle vara i princip värdelösa.

Det är det fina med Hester och Pawelczaks system. En liten enhet kan kortvarigt tappa ström, men den tappar aldrig sin tidsuppfattning. Det betyder att den kan starta om så snabbt att du kanske inte ens märker att enheten tappade ström från första början.

"Vår enhet möjliggör snabb rekonstruktion av tid och tillstånd från "brödsmulor" som vi lämnade bakom oss innan ett strömavbrott, sa Hester.

Förbigång av batterier

Hester och Pawelczak motiveras av sitt övergripande mål att minska antalet litiumjonbatterier som kommer ut i miljön varje år. Litiumbrytning är inte bara otroligt energi- och vattenintensiv, litium är ett brandfarligt, giftigt material som till och med kan fatta eld i återvinningsanläggningar.

Stora teknikföretag uppskattar nu att vi kan se biljoner fler IoT-enheter inom de närmaste 50 åren. Det är mycket använda och så småningom kasserade batterier.

"Att arbeta med batterifria energiskördande system är självklart, med tanke på miljöpåverkan som följer med batterier, ", sa Pawelczak. "Vi vet inte det exakta antalet nya enheter som kommer att dyka upp, men ingen tvivlar på att volymen av enheter är enorm och att mer och mer hemelektronik kommer att drivas av batterier. Dessa batterier måste bytas ut och senare återvinnas, så vi måste utveckla ett system som minskar elektronikens koldioxidavtryck."

"Om vi ​​hoppas ha en vision om datoranvändning som är hållbar, då måste vi tänka om hur vi designar dessa system, " Hester tillade. "Vår teknik kommer att informera utformningen av nästa biljoner enheter och möjliggöra IoT som är praktiskt, skalbar och användbar."