El chip que se alimenta del aire

Los edificios inteligentes est¨¢n tan atentos a las necesidades de sus habitantes que se adelantan a ellas. Para eso, tienen que dotarse de sentidos (y sensores) que midan a cada instante lo que pasa a su alrededor. El Internet de las cosas?ya no es cosa de futuro, pero algunos investigadores se han empe?ado en que no se vea. Un equipo de la Universidad Tecnol¨®gica de Eindhoven (Pa¨ªses Bajos) encabezado por un estudiante de doctorado,?Han Gao, ha creado el sensor de temperatura m¨¢s peque?o del mundo: apenas dos mil¨ªmetros cuadrados y el peso de un grano de sal. Sin embargo, si sus autores tuvieran que presentarlo a un concurso, no lo har¨ªan por ninguno de esos dos r¨¦cords, sino por su autonom¨ªa: para funcionar no precisa m¨¢s energ¨ªa que la que recibe del wifi con el que se comunica (en su peque?ez hay sitio para una antena y un router).

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El nuevo dispositivo resultar¨¢ ¨²til sobre todo en dom¨®tica. Los sensores podr¨¢n instalarse en las paredes o el mobiliario de una casa para medir con precisi¨®n la eficiencia de la calefacci¨®n o el aire acondicionado. Tambi¨¦n servir¨¢ para medir la temperatura de las diversas partes de la maquinaria en una f¨¢brica o la superficie de un neum¨¢tico en un veh¨ªculo en marcha. En el ¨¢mbito de la salud, el sensor podr¨¢ tomar de continuo la temperatura corporal de una persona. Y, con una peque?a adaptaci¨®n, podr¨ªa mutar sus capacidades para medir, adem¨¢s del calor, la luz, la humedad o la proximidad de otro objeto.?

Cada uno de nosotros va a llevar encima cientos de dispositivos sin cables", sostiene uno de los creadores del chip

A pesar de su aplicaci¨®n y tama?o, "Energ¨ªa cero" es la expresi¨®n que, casi como un eslogan, abandera el director del Centro de Tecnolog¨ªa sin Cables, Peter Baltus, para referirse al nuevo dispositivo que ¨¦l y su equipo han creado. "Todo el mundo est¨¢ tan entusiasmado con el Internet de las cosas que los investigadores nos sentimos como obligados a que sea un ¨¦xito", confiesa. Para Baltus, el reto es inminente ("estamos hablando de que cada uno de nosotros va a llevar encima cientos de dispositivos sin cables") e implica dos grandes cambios en la manera de crear nuevos gadgets: eliminar las bater¨ªas y rebajar al m¨¢ximo el coste de los aparatos sin cables. "Tenemos que acabar con eso de tener que ir cambiando las pilas, no solo por cuestiones medioambientales, sino tambi¨¦n porque no nos podemos pasar el d¨ªa sustituy¨¦ndolas, ni poniendo a cargar bater¨ªas de los nuevos cientos de dispositivos con los que vamos a convivir", describe Baltus. Para ¨¦l, el peque?o tama?o y el poco peso de su sensor no son m¨¢s que "la consecuencia" de resolver ese doble desaf¨ªo antibater¨ªas y low cost.

Para lograrlo, valoraron muchas opciones antes de atinar con la que, al menos conceptualmente, parec¨ªa m¨¢s obvia: alimentar el¨¦ctricamente el dispositivo con la misma fuente con la que intercambiaba datos. "Valoramos dotarlo de energ¨ªa fotovoltaica, u obtenida de vibraci¨®n mec¨¢nica; tambi¨¦n pensamos aprovechar el contraste t¨¦rmico... pero es que solo planteaban problemas: no ofrec¨ªan un suministro continuo y requer¨ªan a?adir m¨¢s circuitos al sensor". Eso implicaba ampliar los costes, el peso y el tama?o, pero para eso estaba la wifi: garantizaba que el sensor contase con energ¨ªa justo cuando la necesita. Por otro lado, escoger este sistema no les exig¨ªa a?adir m¨¢s circuitos, porque los de radio que lleva el chip bastaban para ambos prop¨®sitos (recibir y enviar datos y recibir energ¨ªa) y les permit¨ªa integrar perfectamente el sensor entero en una peque?a pieza de silicio, sin a?adir ning¨²n componente. As¨ª se reduc¨ªan coste, tama?o y peso: el santo grial para los investigadores holandeses.

La f¨ªsica no se lo iba a poner tan f¨¢cil, sin embargo. La wifi est¨¢ pensada sobre todo para transmitir informaci¨®n, no energ¨ªa. ?C¨®mo asegurar que la transferencia de energ¨ªa es eficiente? ?C¨®mo hacer que el chip obtuviera la suficiente de la fuente emisora? Y una tercera, m¨¢s obvia a¨²n: ?c¨®mo es posible instalar una antena que capte bien la energ¨ªa en un sensor tan peque?o? Para resolver el primer problema, los cient¨ªficos forzaron a la estaci¨®n base a emitir la se?al en un haz relativamente estrecho, enfocado directamente al dispositivo.

Si el sensor cambia de sitio, no es preciso reorientar la base porque es capaz, seg¨²n los investigadores, de escanear 100 ubicaciones distintas por segundo. "Podr¨ªa llevarlo encima un perro movi¨¦ndose y no perder¨ªa eficiencia", ejemplifica Baltus, aunque para eso ser¨¢ preciso ampliar la m¨ªnima distancia que ahora mismo separa al sensor del emisor, unos rid¨ªculos 2.5 cent¨ªmetros. Para resolver los otros dos problemas, los investigadores tiraron de ingenio y de un rectificador (un circuito que convierte la energ¨ªa alterna en energ¨ªa continua) y trabajaron en frecuencias muy altas (unos 60 gigahercios), para las que una antena peque?a es suficiente. Ese rango del espectro electromagn¨¦tico est¨¢ abierto en la mayor parte de los pa¨ªses.

Futuras mejoras

Para hacer su trabajo, el chip gasta solo un nanojulio, una nimiedad comparada con el consumo de cualquier aparato dom¨¦stico, pero suficiente para medir la temperatura y enviar el dato a la estaci¨®n en solo 100 milmillon¨¦simas de segundo. Eso s¨ª, no les vale una estaci¨®n de base cualquiera, ni mucho menos un router dom¨¦stico convencional: el aparato que han empleado aqu¨ª es muy sensible.

Mejorar la base emisora es uno de los retos que ahora se plantean. "Hemos enfocado todo nuestro trabajo en fabricar el minisensor sin cables, y la verdad es que terminamos por hacer un trabajo muy rudimentario en la base". El investigador aventura que, incluyendo algunas mejoras en las antenas, podr¨¢ aumentarse la distancia entre emisor y sensor: "El alcance te¨®rico del sensor es de cinco metros", apunta Baltus. Para ampliarlo, "hay que investigar m¨¢s, en otra l¨ªnea", apunta Baltus. El trabajo de investigaci¨®n en el que se basa el sensor aparece recogida en una tesis doctoral.?

Su producci¨®n podr¨ªa ser inmediata. Cada chip costar¨ªa unos 20 centavos de d¨®lar

Los investigadores tambi¨¦n tienen que mejorar el tama?o de la antena que lleva el sensor. A pesar de ser min¨²scula, ocupa casi la mitad de todo el espacio, y encima tiene que alternar la funci¨®n de emitir ondas y la de recibirlas. Para pasar de una funci¨®n a otra, hace falta usar conmutador que, ahora mismo, pierde nada menos que el 90% de la se?al. Conf¨ªan en mejorarlo para que apenas pierda un 20%.

Una vez superado estos problemas, cabe el consuelo de que la producci¨®n no ser¨¢ un problema de dinero. De hecho, el equipo de Eindhoven cree que la fabricaci¨®n de los sensores, a diferencia de otros dispositivos en estado inicial, est¨¢ a la vuelta de la esquina. "El sensor va colocado sobre una pieza de silicio convencional [el dispositivo est¨¢ basado en la tecnolog¨ªa de sensores CMOS de 65 nan¨®metros] y la producci¨®n no encierra ning¨²n secreto ni dificultad. No hace falta empaquetarlo, ni imprimir circuitos a?adidos, ni ning¨²n tiempo de ensamblaje, as¨ª que creemos que el coste ser¨¢ mucho m¨¢s bajo que el de cualquier otro disponible ahora en el mercado". Por norma general, los fabricantes hablan de un coste de 10 centavos de d¨®lar por mil¨ªmetro cuadrado de un circuito integrado de silicio, "en el caso de este sensor hablar¨ªamos de solo 20 centavos", calcula satisfecho el investigador, que conf¨ªa en que el potencial pr¨¢ctico del dispositivo haga a¨²n m¨¢s atractiva su producci¨®n: "Cada vez que se lo cuento a alguien se le ocurre una nueva aplicaci¨®n en la que ni siquiera hab¨ªamos pensado".