Ny gulvprototype sender Bluetooth-signaler på energien fra et skridt

Et enkelt skridt kan levere både strømmen og anledningen til at sende et trådløst signal. Det viser en ny gulvprototype beskrevet 27. oktober i Microsystems & Nanoengineering. Systemet høster mekanisk energi fra trykket og bruger den til en kort Bluetooth Low Energy-transmission uden et batteri i selve gulvnoden.

I 100 skridtforsøg med ti deltagere lykkedes mindst én trådløs transmission i 97 procent af prøverne. Gennemsnittet var 2,39 datapakker per aktivering, og enkelte aktiveringer gav op til fire. Resultatet handler om korte hændelser, ikke om at forsyne en bygning med elektricitet eller holde en radiosender tændt konstant.

Et skridt skal gøres elektrisk brugbart

Holdet omkring Yaozi Zheng og Guobiao Hu kombinerer et piezoelektrisk keramisk materiale med en metalstruktur, et energistyringskredsløb og en strømbesparende radiosender. Et piezoelektrisk materiale udvikler elektrisk ladning, når det deformeres. Men et kort tryk giver ikke automatisk en stabil strømforsyning.

Det er den centrale udfordring. En elektronisk sender skal både starte og nå at sende, før spændingen falder for langt. Hvis kredsløbet forsøger at starte for tidligt, kan den lille opsamlede energimængde blive brugt uden en gennemført transmission.

Forskerne lader derfor først energien samle sig i en kondensator. Når en tærskel nås, frigiver kredsløbet den i et kort, reguleret strømvindue til senderen. Derefter slukker det igen og er klar til at samle energi fra en ny påvirkning.

Lille høster, større samlet system

Den keramiske skive har en diameter på 30 millimeter og er under en halv millimeter tyk. De mål gælder høsteren, ikke en færdig gulvflises samlede konstruktion. Prototypen omfatter også mekanisk indpakning og et print med elektronik.

Med en kondensator på 4,7 mikrofarad rapporterer holdet 22,84 mikrojoule frigivelig energi i det regulerede vindue. Den anvendte BLE-enhed kræver ifølge studiet omkring 17 mikrojoule til koldstart. Energibudgettet viser dermed, hvorfor et lille tryk kan være tilstrækkeligt, når kredsløbet samler og frigiver energien på det rigtige tidspunkt.

En høj, kort spændingsspids er altså ikke det samme som en brugbar strømforsyning. Det er samspillet mellem høsteren, lagringen og senderens behov, der afgør, om der faktisk kommer en datapakke ud.

Fra gulvtryk til handling

Forskerne demonstrerede blandt andet lysstyring og et system, hvor hændelser fra flere gulvnoder blev knyttet til positioner i en digital model. Der indgik også en forsøgsopstilling til nærhedsbaserede trafikadvarsler og en udendørs demonstration ved et sted med begrænset udsyn.

Det viser mulige anvendelser, men ikke at teknologien allerede er klar som et sikkerhedskritisk trafiksystem. Hændelsen skal modtages og fortolkes korrekt af resten af installationen. En batterifri gulvnode betyder heller ikke, at modtagere, lamper eller andre tilsluttede systemer fungerer uden ekstern energi.

Informationen i demonstrationerne kom hovedsageligt fra, at et tryk fandt sted, hvilken node der sendte, tidspunktet og i nogle tilfælde signalstyrken. Det er derfor mere præcist at kalde prototypen en trådløs hændelsesknap i gulvet end en komplet overvågning af alt, hvad der sker i rummet.

Holdbarhed og radioforhold sætter grænser

De 97 procent er et resultat fra de beskrevne forsøg, ikke en garanti for alle sko, brugere og gulve. En mistet transmission kan være acceptabel ved nogle former for betjening, mens andre anvendelser kræver større sikkerhed eller gentagelser.

Forskerne peger også på modtagernes placering, indpakning og håndtering af mange samtidige noder som opgaver før større udrulning. Radioforhold kan ændres af blokeringer, omgivelser og antennernes retning. Materialet indeholder desuden bly, og holdet nævner blyfrie alternativer og materialegenindvinding som relevante udviklingsspor.

Batterifri betjening kræver stadig et regnestykke

Studiet angiver en prototypepris under fem amerikanske dollar for kernehardwaren i en enkelt node. Det omfatter ikke automatisk installation, gulvkonstruktion eller modtagernetværk og kan derfor ikke læses som en færdig pris per installeret flise.

Fremskridtet er, at en uregelmæssig menneskelig bevægelse bliver til en datapakke med en almindelig trådløs protokol. Hvis systemet bliver robust nok, kan det mindske behovet for batteriskift ved simple, sjældne signaler. De nye forsøg giver et konkret udgangspunkt for at undersøge netop den mulighed.