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Monday, June 12, 2023

Dispositivo minúsculo pode ajudar a preservar a vida útil da bateria de pequenos sensores


Pesquisadores do MIT e de outros lugares construíram um receptor de ativação que se comunica usando ondas de terahertz, o que lhes permitiu produzir um chip 10 vezes menor do que dispositivos similares. Seu receptor, que também inclui autenticação para protegê-lo de um certo tipo de ataque, pode ajudar a preservar a vida útil da bateria de pequenos sensores ou robôs. Imagem: Jose-Luis Olivares/MIT com figura cortesia dos pesquisadores

Por Adam Zewe | Escritório de Notícias do MIT

Os cientistas estão se esforçando para desenvolver dispositivos de web das coisas cada vez menores, como sensores menores que a ponta de um dedo que podem tornar quase qualquer objeto rastreável. Esses sensores diminutos têm baterias minúsculas que muitas vezes são quase impossíveis de substituir, então os engenheiros incorporam receptores de ativação que mantêm os dispositivos no modo de “suspensão” de baixa energia quando não estão em uso, preservando a vida útil da bateria.

Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo receptor de despertar que tem menos de um décimo do tamanho dos dispositivos anteriores e consome apenas alguns microwatts de energia. Seu receptor também incorpora um sistema de autenticação embutido de baixo consumo de energia, que protege o dispositivo de um certo tipo de ataque que pode esgotar rapidamente sua bateria.

Muitos tipos comuns de receptores de despertar são construídos na escala de centímetros, pois suas antenas devem ser proporcionais ao tamanho das ondas de rádio que usam para se comunicar. Em vez disso, a equipe do MIT construiu um receptor que utiliza ondas de terahertz, que têm cerca de um décimo do comprimento das ondas de rádio. Seu chip tem pouco mais de 1 milímetro quadrado de tamanho.

Eles usaram seu receptor de despertar para demonstrar comunicação sem fio eficaz com uma fonte de sinal que estava a vários metros de distância, mostrando um alcance que permitiria que seu chip fosse usado em sensores miniaturizados.

Por exemplo, o receptor de despertar pode ser incorporado a microrrobôs que monitoram mudanças ambientais em áreas muito pequenas ou perigosas para outros robôs alcançarem. Além disso, como o dispositivo usa ondas de terahertz, ele pode ser utilizado em aplicações emergentes, como redes de rádio implantáveis ​​em campo que funcionam como enxames para coletar dados localizados.

“Usando frequências de terahertz, podemos fazer uma antena com apenas algumas centenas de micrômetros de cada lado, que é um tamanho muito pequeno. Isso significa que podemos integrar essas antenas ao chip, criando uma solução totalmente integrada. Em última análise, isso nos permitiu construir um receptor de despertar muito pequeno que poderia ser conectado a pequenos sensores ou rádios”, diz Eunseok Lee, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) e principal autor de um artigo sobre o despertar. receptor para cima.

Lee escreveu o papel com seus co-orientadores e autores seniores Anantha Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia do MIT e o professor Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, que lidera o Grupo de Circuitos e Sistemas com Eficiência Energéticae Ruonan Han, professor associado da EECS, que lidera o Grupo de Eletrônica Integrada Terahertz no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; bem como outros no MIT, no Indian Institute of Science e na Boston College. A pesquisa está sendo apresentada na IEEE Customized Built-in Circuits Convention.

Reduzindo o receptor

As ondas Terahertz, encontradas no espectro eletromagnético entre as micro-ondas e a luz infravermelha, têm frequências muito altas e viajam muito mais rápido que as ondas de rádio. Às vezes chamadas de “feixes de lápis”, as ondas de terahertz viajam em um caminho mais direto do que outros sinais, o que as torna mais seguras, explica Lee.

No entanto, as ondas têm frequências tão altas que os receptores terahertz muitas vezes multiplicam o sinal terahertz por outro sinal para alterar a frequência, um processo conhecido como modulação de mistura de frequência. A mixagem em terahertz consome muita energia.

Em vez disso, Lee e seus colaboradores desenvolveram um detector de consumo de energia zero que pode detectar ondas de terahertz sem a necessidade de mistura de frequência. O detector usa um par de minúsculos transistores como antenas, que consomem muito pouca energia.

Mesmo com as duas antenas no chip, seu receptor de ativação tinha apenas 1,54 milímetros quadrados de tamanho e consumia menos de 3 microwatts de potência. Essa configuração de antena dupla maximiza o desempenho e facilita a leitura de sinais.

Uma vez recebido, seu chip amplifica um sinal de terahertz e converte os dados analógicos em um sinal digital para processamento. Esse sinal digital carrega um token, que é uma sequência de bits (0s e 1s). Se o token corresponder ao token do receptor de ativação, ele ativará o dispositivo.

Aumentando a segurança

Na maioria dos receptores de ativação, o mesmo token é reutilizado várias vezes, para que um invasor possa descobrir o que é. Em seguida, o hacker poderia enviar um sinal que ativaria o dispositivo repetidamente, usando o que é chamado de ataque de negação de sono.

“Com um receptor de despertar, a vida útil de um dispositivo pode ser melhorada de um dia para um mês, por exemplo, mas um invasor pode usar um ataque de negação de sono para esgotar toda a vida útil da bateria em menos de um dia. . É por isso que colocamos autenticação em nosso receptor de ativação”, explica ele.

Eles adicionaram um bloco de autenticação que utiliza um algoritmo para randomizar o token do dispositivo a cada vez, usando uma chave que é compartilhada com remetentes confiáveis. Essa chave funciona como uma senha — se um remetente souber a senha, ele poderá enviar um sinal com o token correto. Os pesquisadores fazem isso usando uma técnica conhecida como criptografia leve, que garante que todo o processo de autenticação consuma apenas alguns nanowatts extras de energia.

Eles testaram seu dispositivo enviando sinais de terahertz para o receptor de ativação à medida que aumentavam a distância entre o chip e a fonte de terahertz. Dessa forma, eles testaram a sensibilidade de seu receptor – a potência de sinal mínima necessária para o dispositivo detectar um sinal com sucesso. Sinais que viajam mais longe têm menos energia.

“Conseguimos demonstrações de distância de 5 a ten metros a mais do que outros, usando um dispositivo com tamanho muito pequeno e consumo de energia no nível de microwatts”, diz Lee.

Mas, para serem mais eficazes, as ondas terahertz precisam atingir o detector diretamente. Se o chip estiver em um ângulo, parte do sinal será perdido. Assim, os pesquisadores emparelharam seu dispositivo com um matriz dirigível por feixe terahertz, recentemente desenvolvido pelo grupo Han, para direcionar com precisão as ondas terahertz. Usando esta técnica, a comunicação pode ser enviada para vários chips com perda mínima de sinal.

No futuro, Lee e seus colaboradores querem resolver esse problema de degradação do sinal. Se eles encontrarem uma maneira de manter a intensidade do sinal quando os chips receptores se moverem ou se inclinarem levemente, poderão aumentar o desempenho desses dispositivos. Eles também querem demonstrar seu receptor de despertar em sensores muito pequenos e ajustar a tecnologia para uso em dispositivos do mundo actual.

“Desenvolvemos um rico portfólio de tecnologia para futuras plataformas de detecção, marcação e autenticação de tamanho milimétrico, incluindo retroespalhamento de terahertz, coleta de energia e direcionamento e foco de feixe elétrico. Agora, esse portfólio está mais completo com o primeiro receptor de despertar terahertz da Eunseok, que é elementary para economizar a energia extremamente limitada disponível nessas miniplataformas”, diz Han.

Co-autores adicionais incluem Muhammad Ibrahim Wasiq Khan PhD ’22; Xibi Chen, estudante de pós-graduação da EECS; Ustav Banerjee PhD ’21, professor assistente no Instituto Indiano de Ciências; Nathan Monroe PhD ’22; e Rabia Tugce Yazicigil, professora assistente de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Boston.


Notícias do MIT

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