Omgivande energi som avges av mobiltelefoner och modem kan fångas upp och omvandlas till elektricitet med hjälp av ovanligt formad teknologi.

I takt med att internetanslutna smarta enheter blir mindre och mer utbredda, utmaningen att driva dem blir allt mer akut. En billig energiskördare utvecklad på KAUST kan hjälpa till att ladda Internet-of-things (IoT) prylar med hjälp av radiovågor från trådlösa källor.

Ett sätt som forskare miniatyriserar enheter för IoT-applikationer är genom ett tillvägagångssätt som kallas system-on-package. Nyligen arbete har visat att den skyddande förpackningen runt mikroelektronikenheter kan användas för att rymma komponenter, som kommunikationsantenner, för avsevärt minskade kostnader och utrymmesbehov.

Atif Shamim, en professor i elektroteknik och en expert på energiskörd, insåg att system-på-paket-principer kan hjälpa IoT-enheter att bli mer självförsörjande. Hans team undersökte strategier för att bygga mycket kompakta antenner som ställer in de radiofrekvenssignaler som sänds ut från mobila och trådlösa enheter. De slog sig sedan ihop med Khaled Salamas grupp på KAUST för att omvandla denna energi till elektricitet med hjälp av halvledardioder.

De flesta radiofrekventa skördare kan bara utnyttja en enda del av det trådlösa spektrumet, som 3G-standarden. Shamims team, dock, syftade till att producera en multibandsenhet som kan ackumulera mer energi från flera kommunikationskällor.

"Att be en antenn att göra jobbet för flera andra samtidigt är knepigt, " noterar Azamat Bakytbekov, tidningens första författare. "Du måste se till att prestandan inte sjunker vid någon frekvenspunkt."

Forskarna vände sig till ett kubformat paket och det matematiska konceptet fraktaler – mönster som upprepas från liten till stor skala – för att bygga sin skördare. Först, teamet 3-D skrev ut ett kvadratiskt plastsubstrat och screentryckte sedan fraktala antenner på dess yta med silvermetall. Till sist, de limmade ihop fem av plastbitarna till en kub, cirka fem centimeter i storlek.

Fraktalantenner kan introducera flera resonanser som ger tillgång till bredare delar av radiospektrumet. Kubens symmetriska geometri arbetade för att förstärka denna effekt genom att samla strålning runt hela kuben. Efterföljande trådlös spektrumskanning avslöjade flera distinkta frekvenser där energiskörd kunde fungera.

Experiment i verkliga miljöer visade att skördaren kunde samla tillräckligt med radioenergi för att driva små trådlösa sensorer. Men den mest intressanta händelsen, enligt medförfattare, Thang Nguyen, var när smartphoneanvändare passerade 3D-kuben.

"Vi såg kraften som samlats av kuben plötsligt skjuta upp när en person i närheten ringde, " säger Nguyen. "Med ökningen av mobil kommunikation, detta koncept gör det möjligt att skörda mer och mer radiofrekvent energi."