Internet delle cose (IoT), mentre è ancora nella sua infanzia, sta plasmando il futuro di molti settori e avrà anche un impatto significativo sulla vita quotidiana. Una delle sfide principali nel trasferire i dispositivi IoT dal concetto alla realtà è avere un funzionamento duraturo con fonti di energia strettamente limitate, e quindi un'estrema efficienza energetica. I dispositivi IoT come i sensori sono spesso distribuiti su vasta scala e in luoghi solitamente remoti e di difficile manutenzione regolare, rendendo così essenziale la loro autosufficienza.

Attualmente, le batterie nei dispositivi IoT sono molto più grandi e fino a tre volte più costose del singolo chip che alimentano. La loro dimensione è determinata dalla durata del nodo del sensore, che influisce direttamente sulla frequenza con cui devono essere cambiati. Ciò ha un impatto importante sui costi di manutenzione e sull'impatto sull'ambiente quando le batterie vengono smaltite. Per prolungare la durata complessiva, la batteria viene solitamente ricaricata lentamente raccogliendo una quantità limitata di energia dall'ambiente, come l'utilizzo di una cella solare. Però, i dispositivi IoT esistenti non possono funzionare senza batteria, e le batterie piccole si scaricano completamente più frequentemente. Quindi, la miniaturizzazione della batteria si traduce spesso in un funzionamento altamente discontinuo dei dispositivi IoT, poiché smettono di funzionare ogni volta che la batteria si scarica.

Per colmare questa lacuna tecnologica, un team di ingegneri della National University of Singapore (NUS) ha sviluppato un innovativo microchip, chiamato BATLESS, che può continuare a funzionare anche quando la batteria si esaurisce. BATLESS è progettato con una nuova tecnica di gestione dell'alimentazione che gli consente di avviarsi automaticamente e continuare a funzionare in condizioni di scarsa illuminazione senza l'assistenza della batteria, utilizzando una cella solare su chip molto piccola. Questa svolta della ricerca riduce sostanzialmente la dimensione delle batterie necessarie per alimentare i nodi dei sensori IoT, rendendoli 10 volte più piccoli ed economici da produrre. La svolta è stata presentata alla conferenza International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 a San Francisco, il principale forum globale per presentare i progressi nei circuiti a stato solido e nei sistemi su chip.

Il leader del team di ricerca NUS, Professore Associato Massimo Alioto presso la Facoltà di Ingegneria del NUS, disse, "Abbiamo dimostrato che le batterie utilizzate per i dispositivi IoT possono essere ridotte in modo sostanziale, in quanto non sempre devono essere disponibili per mantenere un funzionamento continuo. Affrontare questo problema fondamentale è un importante passo avanti verso la visione definitiva dei nodi dei sensori IoT senza l'uso di batterie, e aprirà la strada a un mondo con un trilione di dispositivi IoT".

L'indifferenza della batteria è la capacità dei dispositivi IoT di continuare a funzionare anche quando la batteria è scarica. Si ottiene operando in due modalità:energia minima e potenza minima. Quando l'energia della batteria è disponibile, il chip funziona in modalità di risparmio energetico per massimizzare la durata della batteria. Però, quando la batteria è scarica, il chip passa alla modalità di potenza minima e funziona con un consumo energetico molto basso di circa mezzo nano-Watt, circa un miliardo di volte inferiore al consumo energetico di uno smartphone durante una telefonata. L'energia può essere fornita da una cella solare su chip molto piccola che ha un'area di circa mezzo millimetro quadrato, o altre forme di energia disponibili dall'ambiente, come vibrazioni o calore.

La capacità del chip di passare dalla modalità di energia minima a quella di alimentazione minima si traduce in una miniaturizzazione aggressiva delle batterie da centimetri fino a pochi millimetri. Il microchip BATLESS consente la capacità non comune di rilevare ininterrottamente, processi, acquisire e contrassegnare gli eventi di interesse, e che tali dati preziosi vengano trasmessi in modalità wireless al cloud quando la batteria sarà nuovamente disponibile. Nonostante sia in modalità di minimo consumo quando la batteria non è disponibile, la velocità ridotta del microchip è comunque adeguata per numerose applicazioni IoT che necessitano di rilevare parametri che variano lentamente nel tempo, compresa la temperatura, umidità, leggero, e pressione. Tra molte altre applicazioni, BATLESS è molto adatto per edifici intelligenti, monitoraggio ambientale, gestione dell'energia, e l'adattamento degli spazi abitativi alle esigenze degli occupanti.

Assoc Prof Alioto ha aggiunto, "BATLESS è il primo esempio di una nuova classe di chip indifferenti alla disponibilità di carica della batteria. In modalità di potenza minima, usa 1, da 000 a 100, 000 volte meno potenza, rispetto ai migliori microcontrollori esistenti progettati per il funzionamento fisso a minima energia. Allo stesso tempo, il nostro microcontrollore a 16 bit può anche operare a 100, 000 volte più veloce di altri che sono stati recentemente progettati per il funzionamento fisso a potenza minima. In breve, il microchip BATLESS copre una gamma molto ampia di energia possibile, potenza, e velocità di scambio, come consentito dalla flessibilità offerta attraverso le due diverse modalità."

BATLESS è inoltre dotato di una nuova tecnica di gestione dell'energia che consente operazioni di autoaccensione mentre è alimentato direttamente dalla minuscola cella solare su chip, senza assistenza per la batteria. Il team lo ha dimostrato con un'intensità della luce interna di 50 lux, che è equivalente alla luce fioca disponibile al crepuscolo, e corrisponde a nano-Watt di potenza. Questo rende BATLESS indifferente alla disponibilità della batteria, affrontare una sfida precedentemente irrisolta nei chip senza batteria.

Il team di NUS Engineering sta ora esplorando nuove soluzioni per costruire sistemi completi indifferenti alla batteria che coprano l'intera catena del segnale dal sensore alle comunicazioni wireless, ampliando così l'attuale lavoro sui microcontrollori e la gestione dell'alimentazione. Il team di ricerca mira a dimostrare una soluzione che riduce la batteria su una scala millimetrica, con l'obiettivo a lungo termine di eliminarne completamente la necessità. Questo sarà un passo importante verso la realizzazione della visione IoT in tutto il mondo, e anche rendere il pianeta più verde e più intelligente.