Internet of Things (IoT), medan den fortfarande var i sin linda, formar framtiden för många industrier och kommer också att påverka det dagliga livet på betydande sätt. En av de viktigaste utmaningarna med att flytta IoT-enheter från idé till verklighet är att ha långvarig drift med hårt begränsade energikällor, och därmed extrem energieffektivitet. IoT-enheter som sensorer används ofta i stor skala och på platser som vanligtvis är avlägsna och svåra att underhålla regelbundet, vilket gör deras självförsörjning väsentlig.

För närvarande, batterier i IoT-enheter är mycket större och upp till tre gånger dyrare än det enda chip de driver. Deras storlek bestäms av sensornodens livslängd, vilket direkt påverkar hur ofta de behöver bytas. Detta har en viktig betydelse för underhållskostnaden och miljöpåverkan när batterier kasseras. För att förlänga den totala livslängden, batteriet laddas vanligtvis långsamt genom att ta lite begränsad kraft från miljön, som att använda en solcell. Dock, befintliga IoT-enheter kan inte fungera utan batteri, och små batterier laddas ur helt oftare. Därav, batteriminiatyrisering resulterar ofta i mycket diskontinuerlig drift av IoT-enheter, eftersom de slutar fungera varje gång batteriet tar slut.

För att komma till rätta med detta tekniska gap, ett team av ingenjörer från National University of Singapore (NUS) har utvecklat ett innovativt mikrochip, som heter BATLESS, som kan fortsätta att fungera även när batteriet tar slut. BATLESS är designad med en ny energihanteringsteknik som gör att den kan starta själv och fortsätta att fungera under svagt ljus utan batterihjälp, använder en mycket liten on-chip solcell. Detta forskningsgenombrott minskar avsevärt storleken på batterier som krävs för att driva IoT-sensornoder, vilket gör dem 10 gånger mindre och billigare att tillverka. Genombrottet har presenterats vid konferensen International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 i San Francisco, det främsta globala forumet för att presentera framsteg inom solid-state-kretsar och system-on-a-chip.

Ledaren för NUS forskargrupp, Docent Massimo Alioto vid NUS tekniska fakultet, sa, "Vi har visat att batterier som används för IoT-enheter kan krympas avsevärt, eftersom de inte alltid behöver vara tillgängliga för att upprätthålla kontinuerlig drift. Att tackla detta grundläggande problem är ett stort framsteg mot den ultimata visionen av IoT-sensornoder utan användning av batterier, och kommer att bana väg för en värld med en biljon IoT-enheter."

Batterilikgiltighet är förmågan för IoT-enheter att fortsätta arbeta även när batteriet är urladdat. Det uppnås genom att arbeta i två lägen - minimal energi och minimal effekt. När batterienergin är tillgänglig, chippet körs i minimalt energiläge för att maximera batteriets livslängd. Dock, när batteriet är urladdat, chippet växlar till lägsta effektläge och arbetar med mycket låg strömförbrukning på ungefär en halv nano-Watt – det är ungefär en miljard gånger lägre än strömförbrukningen för en smartphone under ett telefonsamtal. Ström kan tillhandahållas av en mycket liten on-chip solcell som är cirka en halv kvadratmillimeter i yta, eller andra former av energi tillgänglig från miljön, såsom vibrationer eller värme.

Chipets förmåga att växla mellan lägsta energi- och lägsta effektläge översätts till aggressiv miniatyrisering av batterier från centimeter ner till några millimeter. Det BATLESS-mikrochippet möjliggör den ovanliga förmågan att oavbrutet känna av, bearbeta, fånga och tidsstämpla händelser av intresse, och att sådan värdefull data överförs trådlöst till molnet när batteriet blir tillgängligt igen. Trots att det är i lägsta energiläge när batteriet inte är tillgängligt, den reducerade hastigheten på mikrochippet är fortfarande tillräcklig för många IoT-applikationer som behöver känna av parametrar som varierar långsamt i tiden, inklusive temperatur, fuktighet, ljus, och tryck. Bland många andra applikationer, BATLESS lämpar sig mycket väl för smarta byggnader, miljöövervakning, energihushållning, och anpassning av boendeytor till boendes behov.

Assoc Prof Alioto tillade, "BATLESS är det första exemplet på en ny klass av chips som är likgiltiga för batteriladdningens tillgänglighet. I lägsta effektläge, den använder 1, 000 till 100, 000 gånger mindre effekt, jämfört med de bästa befintliga mikrokontrollerna designade för drift med fast minimienergi. På samma gång, vår 16-bitars mikrokontroller kan också driva 100, 000 gånger snabbare än andra som nyligen har designats för drift med fast minimieffekt. Kortfattat, det BATLESS mikrochippet täcker ett mycket brett spektrum av möjlig energi, kraft, och hastighetsavvägningar, som tillåts av den flexibilitet som erbjuds genom de två olika lägena."

BATLESS är också utrustad med en ny energihanteringsteknik som möjliggör självstartande drift samtidigt som den drivs direkt av den lilla on-chip solcellen, utan batterihjälp. Teamet visade detta vid 50-lux ljusintensitet inomhus, vilket motsvarar det svaga ljuset som finns tillgängligt i skymningen, och motsvarar nano-watt effekt. Detta gör BATLESS likgiltig för batteritillgänglighet, ta itu med en tidigare olöst utmaning i batterilösa chips.

NUS Engineering-teamet undersöker nu nya lösningar för att bygga kompletta batteri-indifferent system som täcker hela signalkedjan från sensor till trådlös kommunikation, därmed utöka det nuvarande arbetet med mikrokontroller och energihantering. Forskargruppen syftar till att demonstrera en lösning som krymper batteriet till millimeterskala, med det långsiktiga målet att helt eliminera behovet av det. Detta kommer att vara ett stort steg mot förverkligandet av IoT-visionen över hela världen, och även göra planeten grönare och smartare.