背景

 

 

雖(sui)然(ran)物(wu)聯(lian)網(wang)目(mu)前(qian)仍(reng)處(chu)於(yu)初(chu)級(ji)階(jie)段(duan)
，但(dan)它(ta)正(zheng)對(dui)於(yu)我(wo)們(men)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)以(yi)及(ji)許(xu)多(duo)行(xing)業(ye)的(de)未(wei)來(lai)產(chan)生(sheng)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)。從(cong)概(gai)念(nian)走(zou)向(xiang)現(xian)實(shi)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)遭(zao)遇(yu)到(dao)的(de)關(guan)鍵(jian)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)，就(jiu)是(shi)在(zai)嚴(yan)格(ge)受(shou)限(xian)的(de)能(neng)源(yuan)條(tiao)件(jian)下(xia)進(jin)行(xing)長(chang)期(qi)持(chi)久(jiu)的(de)操(cao)作(zuo)，這(zhe)需(xu)要(yao)極(ji)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)。IoT 設備，比如傳感器，通常會大規模部署在那些偏遠並難以定期服務的地方，所以讓它們的能量變得自給自足非常有必要。

 

目前，在IoT設(she)備(bei)中(zhong)
，相(xiang)比(bi)於(yu)電(dian)池(chi)為(wei)之(zhi)提(ti)供(gong)電(dian)力(li)的(de)單(dan)個(ge)芯(xin)片(pian)
，電(dian)池(chi)本(ben)身(shen)要(yao)大(da)很(hen)多(duo)並(bing)且(qie)昂(ang)貴(gui)達(da)三(san)倍(bei)。電(dian)池(chi)的(de)尺(chi)寸(cun)由(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)的(de)續(xu)航(hang)時(shi)間(jian)決(jue)定(ding)，續(xu)航(hang)時(shi)間(jian)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)電(dian)池(chi)多(duo)久(jiu)需(xu)要(yao)充(chong)一(yi)次(ci)電(dian)。電(dian)池(chi)的(de)尺(chi)寸(cun)，與(yu)它(ta)的(de)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)被(bei)處(chu)理(li)時(shi)對(dui)環(huan)境(jing)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)都(dou)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)關(guan)係(xi)。為(wei)了(le)延(yan)長(chang)總(zong)的(de)續(xu)航(hang)時(shi)間(jian)，電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)會(hui)從(cong)環(huan)境(jing)中(zhong)采(cai)集(ji)一(yi)些(xie)有(you)限(xian)的(de)能(neng)量(liang)
，緩(huan)慢(man)地(di)再(zai)次(ci)充(chong)電(dian)，例(li)如(ru)采(cai)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)。

 

無論如何，大多數現有的IoT設備還是無法離開電池來運行（雖然目前科學家們已經開發出一些旨在擺脫電池的自供電技術），並且小型電池完全放電更加頻繁。因此，電池小型化通常會使得IoT設備的工作經常間斷。因為每當電池電量耗盡時，IoT設備就要停止工作。

 

創新

 

（圖片來源：NUS）

 

為了填補這一技術鴻溝
，新加坡國立大學（NUS）工程師團隊開發出一種稱為“BATLESS”的創新型芯片。即使在電池電量耗盡時，該芯片仍然可以繼續工作。BATLESS juyouyizhongxindedianyuanguanlijishu，gaijishurangtakewuxurenheqitadianchidebangzhu
，zhicaiyongweiyuxinpianshangdeweixingtaiyangnengdianchi，jiukeyizaiweiruodeguangxianxia，ziqidongbingchixugongzuo。

 

這項突破性研究發表於2018年在舊金山召開的國際固態電路會議（ISSCC）上
，該會議是展示固態電路和係統級芯片科研進展的首要的全球性論壇。

 

技術

 

即使在電池電量耗盡時
，“不在乎電池”（Battery indifference）的能力使得IoT設備仍可以持續運行。這種能力通過兩種工作模式來實現：最低能量和最低功率。當電池還有電時，芯片工作於最低能量模式下，使電池續航時間變得最長；當dang電dian池chi電dian量liang耗hao盡jin時shi，芯xin片pian切qie換huan至zhi最zui低di功gong率lv模mo式shi，運yun行xing時shi的de功gong耗hao非fei常chang低di，隻zhi有you半ban納na瓦wa。這zhe種zhong功gong耗hao約yue為wei智zhi能neng手shou機ji通tong話hua時shi功gong耗hao的de十shi億yi分fen之zhi一yi。一yi個ge芯xin片pian上shang的de微wei型xing（麵積約為0.5平方毫米）太陽能電池，或者從環境中采集的能量（例如：振動或者熱量），都可以用於提供如此微小的能量。

 

芯片在最低能量和最低功率模式之間切換的能力
，使得電池尺寸從幾厘米縮小至幾毫米。BATLESS 芯片開啟了一係列非凡的能力

，不間斷地對興趣事件進行感知
、處理、捕捉和打時戳，以及在電池再次變得有電時
，將這些有價值的數據通過無線方式傳輸至雲端。

 

BATLESS 也配備了一種新型電源管理技術，可實現自啟動，同時直接由芯片上的微型太陽能電池供電
，無需其他電池協助。團隊通過一個50勒克斯的室內光照強度進行了演示

，這個光照強度相當於黃昏時的微弱光線，對應於納瓦級的功率。如此一來，BATLESS可以不在乎電池電量，從而解決了在無電池芯片中之前未得到解決的問題。

 

價值

 

這項突破性的研究充分減小了為IoT傳chuan感gan器qi節jie點dian供gong電dian的de電dian池chi尺chi寸cun，使shi得de它ta們men縮suo小xiao至zhi十shi分fen之zhi一yi且qie製zhi造zao成cheng本ben更geng低di。除chu了le在zai電dian池chi電dian量liang耗hao盡jin時shi，采cai用yong最zui小xiao功gong率lv模mo式shi
，減jian速su的de芯xin片pian還hai可ke應ying用yong於yu一yi些xie列lie物wu聯lian網wang場chang景jing，感gan知zhi隨sui著zhe時shi間jian變bian化hua緩huan慢man的de參can數shu，例li如ru：溫度、濕度、光線和壓力。此外
，BATLESS還具有其他的應用

，例如智能建築、環境監測
、能量管理以及讓生活空間滿足居住者的需求。

 

NUS 科研團隊的領導者
，NUS 工學院電氣與計算機工程係副教授 Massimo Alioto表示：“BATLESS 是(shi)首(shou)個(ge)不(bu)在(zai)乎(hu)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang)的(de)新(xin)型(xing)芯(xin)片(pian)案(an)例(li)。在(zai)最(zui)低(di)功(gong)率(lv)模(mo)式(shi)下(xia)，相(xiang)比(bi)於(yu)為(wei)以(yi)固(gu)定(ding)最(zui)低(di)能(neng)量(liang)運(yun)行(xing)而(er)設(she)計(ji)的(de)現(xian)有(you)最(zui)佳(jia)的(de)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)，它(ta)使(shi)用(yong)的(de)能(neng)量(liang)僅(jin)為(wei)十(shi)萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi)到(dao)千(qian)分(fen)之(zhi)一(yi)。同(tong)時(shi)，相(xiang)比(bi)近(jin)期(qi)設(she)計(ji)的(de)以(yi)固(gu)定(ding)最(zui)低(di)能(neng)量(liang)運(yun)行(xing)的(de)其(qi)他(ta)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)，我(wo)們(men)的(de)16比特微控製器運行速度快十萬倍。總之
，BATLESS 芯片涵蓋了非常廣泛的能量
、功率和速度因素
，因為兩種不同的模式帶來了靈活性。”

 

Massimo Alioto副教授還表示：“我們演示了用於IoT設備的電池可被充分縮小
，因為保持連續工作時並不是總需要它們。在朝著無需電池的IoT傳感器節點的最終版本目標邁進的過程中，解決這一根本性問題成為了一個重要進展，為打造一個具有數萬億IoT設備的世界鋪平了道路。”

 

未來

 

目前

，NUS工gong程cheng團tuan隊dui正zheng在zai開kai發fa新xin的de方fang案an，構gou建jian完wan全quan不bu在zai乎hu電dian池chi電dian量liang的de係xi統tong




，覆fu蓋gai從cong傳chuan感gan器qi到dao無wu線xian通tong信xin係xi統tong的de整zheng個ge信xin號hao鏈lian，在zai微wei控kong製zhi器qi與yu電dian源yuan管guan理li方fang麵mian繼ji續xu拓tuo展zhan目mu前qian的de研yan究jiu。

 

在完全無需電池的長期目標指引下，團隊開發出一種將電池縮小至毫米級的方案。它將成為朝著全球IoT願景邁出的重要一步，也將使得我們的星球變得更加綠色和智能。

 

（圖片來源於：維基百科）

 

 

推薦閱讀：