Een mogelijke oplossing voor het kortetermijngeheugenverlies van batterijloze apparaten
Onderzoekers streven al decennia naar een betere batterij. Een internationaal team presenteert nu een bijzondere nieuwe oplossing: helemaal geen batterij. Onder leiding van de TU Delft en de Amerikaanse Northwestern University hebben onderzoekers een nieuw systeem ontworpen en ontwikkeld waarmee batterijloze apparaten tijdens korte stroomonderbrekingen de tijd kunnen onthouden. Hiermee is een belangrijk probleem opgelost dat het onderzoek op dit gebied belemmerde.
Veel kleine, batterijloze apparaten die onderdeel uitmaken van het Internet of Things (IoT) zouden kunnen werken op basis van omgevingsenergie, zoals zonne-energie, kinetische energie en thermische energie. Als deze apparaten op grote schaal op de markt worden gebracht, belanden er veel minder gebruikte batterijen op de vuilstort. Batterijloze apparaten hebben echter regelmatig last van korte stroomonderbrekingen, omdat ze tussen energiebronnen schakelen.
‘Uiteraard heeft het weglaten van batterijen gevolgen,’ aldus Przemyslaw Pawelczak (TU Delft), een van de hoofdonderzoekers. ‘Het betekent een kleinere opslagcapaciteit en minder betrouwbaarheid. Daarnaast valt niet altijd te voorspellen hoeveel energie aan de omgeving kan worden onttrokken.’
‘Met dat in het achterhoofd hebben we nu een systeem gebouwd dat gefragmenteerde actieve periodes aan elkaar rijgt,’ vertelt Josiah Hester (Northwestern University), eveneens een van de hoofdonderzoekers. ‘We hebben een speciaal systeem gebouwd dat betrouwbaar de tijd bijhoudt voor IoT-apparaten, ook bij een groot aantal stroomonderbrekingen.’
We hebben een speciaal systeem gebouwd dat betrouwbaar de tijd bijhoudt voor IoT-apparaten
Josiah Hester, Northwestern University
De tijd werkt in ons voordeel
Het bijhouden van de tijd is voor elk computersysteem van groot belang. Het vormt de basis van vrijwel alle systeemservices en veiligheidsvoorzieningen en helpt de computer om actieve applicaties te controleren. De meeste mensen merken echter pas dat het systeem de tijd bijhoudt wanneer dat niet meer gebeurt.
Iedereen bij wie de stroom weleens is uitgevallen tijdens het gebruik van een computer weet hoe lastig het kan zijn om het systeem opnieuw op te starten. Dat kan enkele minuten duren, omdat de computer moet nagaan op welk punt de werking werd onderbroken en verschillende handelingen moet verrichten. En zelfs als de computer dan weer werkt, kan er toch niet-opgeslagen werk verloren zijn gegaan.
Als dat iedere keer gebeurt als een klein IoT-apparaat — bijvoorbeeld een smartwatch, fitnesstracker, beveiligingscamera, slimme thermostaat of medische sensor — even geen stroom krijgt, dan zijn deze apparaten gewoonweg onbruikbaar.
En dat is het mooie van het systeem van Hester en Pawelczak. Een klein apparaat houdt altijd de tijd bij, ook als de stroom even wordt onderbroken. Daardoor kan het snel opnieuw opstarten, zodat je misschien niet eens merkt dat de stroom werd onderbroken.
‘Ons apparaat kan de tijd en status snel reconstrueren op basis van “broodkruimels” die we hebben achtergelaten voordat de stroom uitviel,’ aldus Hester.
De onderzoekers integreerden hun nieuwe methode voor tijdsregistratie in een op maat gemaakt software en hardware platform, Botoks genaamd
Geen batterijen meer
Hester en Pawelczak worden gedreven door het grotere doel om het aantal lithium-ionbatterijen dat elk jaar in het milieu belandt, terug te dringen. Niet alleen kost de winning van lithium ongelofelijk veel energie en water, lithium is ook nog eens een zeer brandbare, giftige stof die zelfs in recyclinginstallaties vlam kan vatten. Grote techbedrijven schatten momenteel in dat er de komende 50 jaar biljoenen IoT-apparaten bijkomen. Dat betekent talloze batterijen, die uiteindelijk allemaal worden weggegooid.
‘Het spreekt eigenlijk voor zich dat we batterijloze systemen ontwikkelen die energie aan de omgeving onttrekken, gezien de milieueffecten van batterijen,’ aldus Pawelczak. ‘We weten niet hoeveel apparaten er precies bij zullen komen, maar niemand twijfelt eraan dat het aantal enorm zal zijn.
Daarnaast bevat steeds meer consumentenelektronica batterijen. Deze batterijen moeten weer worden vervangen en vervolgens gerecycled, en daarom moeten we een systeem ontwikkelen dat de koolstofvoetafdruk van elektronica verkleint.’ ‘Als we tot een visie op duurzaam computergebruik willen komen, moeten we op een andere manier gaan nadenken over het ontwerp van deze systemen,’ voegt Hester daaraan toe. ‘Onze technologie zal van invloed zijn op het ontwerp van de volgende generatie apparaten, waardoor een IoT ontstaat dat praktisch, schaalbaar en bruikbaar is.'
Het spreekt eigenlijk voor zich dat we batterijloze systemen ontwikkelen, gezien de milieueffecten
Przemyslaw Pawelczak, TU Delft
Meer informatie
Hester en Pawelczak presenteerden hun werk dit voorjaar virtueel tijdens de jaarvergadering van Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems (ASPLOS). Het team presenteerde twee papers: Een waarin de hardware wordt beschreven van het nieuwe circuit dat de tijd bijhoudt en een waarin wordt aangetoond dat het circuit kan worden gebruikt om apparaten met batterijen batterijloos te maken. Bekijk de presentaties: Reliable timekeeping for intermittent computing en Time-sensitive intermittent computing meets legacy software
Pawelczak is als universitair docent verbonden aan het Embedded Software Lab van de TU Delft. Hester is universitair docent informatica en elektro- en computertechniek aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University.
Lees het persbericht op de website van Northwestern University
Contactinformatie: Dave Boomkens (communicatieadviseur faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica), D.J.Boomkens@tudelft.nl, +31 6 40287577.
