能源收集取得进展

事实上，自供电设备的梦想已经存在了很长一段时间——数千年。最早的风车和水车可以追溯到古希腊和有记载的历史之初。自动上弦的计时器可以追溯到18世纪晚期。自1851年以来，除了一些短暂的中断，福柯钟摆一直在巴黎运动。144年前，两名法国物理学家发现了压电现象，在施加机械力时，电荷会留在某些材料中。

在大多数情况下，这些产生能源的方法都属于体积庞大但有效的阵营，比如风能、太阳能或水力发电，或者它们被限制在基本上相当于科学实验的范围内。但随着人们对小型便携式设备(尤其是可穿戴和可植入电子设备)功能需求的增长，以及电池改进和集成电路功能之间的差距不断扩大，能量收集开始引起人们的重视和投资。

“在实践中，来自这些来源的能量密度仍然很低，对于便携式应用程序来说最好的情况是在微瓦范围内，尽管你可以从工业机器振动中获得更高的能量密度，”该公司首席技术官伯纳德•墨菲(Bernard Murphy)表示Atrenta．“更典型的是几十到几百皮瓦。因此，它距离为智能手机供电还有很长的路要走，因为智能手机需要毫瓦的功率，或者任何一种与智能手机相当的可穿戴设备。”

与当今大多数复杂的设计一样，没有灵丹妙药。黑硅的组合、复杂的开关方案、某些情况下更少且定义更好的功能、更节能的架构和更好的软硬件协同设计都仍然是需要的。新利体育在线完整版更低的泄漏，新材料和方法，如宽I/O-2或通过硅通孔，以减少驱动信号所需的功率，也在考虑之中。不过，只要有可能，不断增加电池续航时间也没什么坏处。

墨菲说:“如果有尖锐的电力需求(大部分是关闭的，偶尔是打开的)，为电容器/超级电容器充电是可行的。”“来自环境无线的能量随着距离源距离的平方而下降，所以这是没有希望的，除非你能保证你保持接近源，这在工业应用中是可能的。光伏和热电在每平方厘米几十微瓦的范围内。而环境无线信号则随距离的平方下降，因此对于移动/可穿戴/植入设备的价值可以忽略不计。”

他指出，还有一些工作正在进行中，通过MEMS结构来提高压电/柔版方法的功率密度，许多弯曲悬臂梁可能会产生更高密度的功率。一台这样的发电机已经能够在实验室中产生近0.8毫瓦每平方厘米的功率，这已经接近手机的水平了。”

新地方的新需求
不过，并不是所有的东西都需要这么大的能量。但随着越来越多的设备变得移动化和互联化，肯定会有更多的电池需要充电。越来越多的电子产品，甚至在家里，至少有一个备用电池，而不仅仅是一个插头。

“如果你的房子里有1000个东西，而且你每年都要换一块电池，那么平均每天要换三次电池，”研究人员Rob Aitken说手臂的家伙。“有什么替代方案?”能源清理，10年电池，或者每年来你家一次更换所有电池的电池服务。”

能量收集，也被称为更适合营销的术语，“能量收集”，是最受关注的选项，因为它对生活方式的破坏最小，可以用来补充难以更换或不方便更换的电池。即使在目前能量收集的限制范围内，如果芯片架构得到改进，它也会很有用。

“因为功率在微瓦范围内，你必须改变计算的方式，”艾特肯说。“一种选择是，你可以一直运行一些东西。它从不睡觉，持续消耗80微瓦。这在某种程度上是计算模型的变化，但并非不可想象。你可以让一个微控制器在那种水平上运行，只要你限制通信，这样它就不会耗尽所有的能量通信，然后你就可以与其他东西交互。它在现有的计算模型中，但与我们现在使用的模型略有不同。”

如今，除了真正的商业产品之外，还有其他一些对现有模型的改进。例如，Maxim Integrated刚刚针对医疗和工业市场推出了一款内置能量收集的安全NFC/RFID标签验证器。这种方法的不同之处在于标签的功能来源。

Maxim Integrated公司的执行业务经理Hamed Sanogo说:“读取器向标签发送信号，标签就能从接收到的电波中恢复能量，并将电波作为一种通信手段。”“我们已经可靠地清理了射频前端，以便波进入部件。充电所需的能量在微瓦范围内，而阅读器设备则在毫瓦范围内。”

Sanogo表示，在过去，RFID/NFC标签会简单地丢弃多余的能量，但随着专注于极低功耗，特别是在医疗应用和传感器中，每微瓦都很重要。在未来，这个阅读器可能是一部智能手机，而不是一个专门的设备，发送到一个标签的能量可能被用来唤醒神经网络中的其他标签。

Maxim Integrated的能量收集架构。

设计注意事项
从集成电路设计的角度来看，能量收集增加了一些变化。其中之一涉及到分区。例如，当通信可能是到附近的设备，而不是位于数百或数千码或米外的基站时，会发生什么?

“最大的变化之一是分区和布置，”位于纽约的空间和路线部门的高级工程总监PV Srinivas说导师图形．“你必须确保你能与你的邻居沟通。时间限制必须考虑在内，通信密度也是如此。哪里有什么电压可用?它是可缓冲还是不可缓冲?位置成为一个非常关键的因素。”

成本也是如此。能够通过各种方式降低电压并产生能量是至关重要的，但它也必须以低成本完成，因为许多将从能量收集中受益的应用都对价格敏感。

“这些设计的目标是低成本和低功耗，你不能为了另一个而妥协，”低功耗at公司的产品营销总监克里希纳·巴拉钱德兰说节奏．“你想要实现能量收集，但你也必须在这样做的时候降低成本。”

其他选项
虽然我们倾向于从动能或太阳能的角度考虑能量收集，但其他领域的工作也在进行中。其中一个涉及生物学。早在2008年，麻省理工学院的一组研究人员就发表了一篇论文纸2008年，他们研究了植物和周围土壤之间的持续电压差。

“通过厌氧发酵过程产生微生物燃料电池的一些有趣方法，预计能够在工业规模上产生高达2KW的功率，”亚特兰大的Murphy说。“植入式燃料电池可能更有可能使用基于酶的血糖氧化，并已被证明在2mW/cm²左右。但你必须每两年更换一次电池，这是缺点。”

麻省理工学院也在研究微型美国国防部高级研究计划局几年前就在试验芯片大小的核反应堆。最终在商业上可行的是未知的，但随着设计团队致力于在越来越小的设备上实现更强大的功能，寻找方法来避开传统电池技术的限制，研究已经开始升温。