Nosso sistema, combinado com técnicas de coleta de energia do ambiente, pode levar a todos os tipos de dispositivos que transmitem dados, incluindo pequenos sensores e dispositivos médicos implantados, sem a necessidade de baterias ou outras fontes de energia. Isso inclui sensores para agricultura inteligente, eletrônicos implantados no corpo que nunca precisam de troca de bateria, melhores cartões de crédito sem contato e talvez até novas maneiras de os satélites se comunicarem.
Além da energia necessária para ligar o interruptor, nenhuma outra energia é necessária para transmitir a informação. No nosso caso, o interruptor é um transistor, um interruptor controlado eletricamente sem partes móveis que consome uma quantidade minúscula de energia.
Na forma mais simples de rádio comum, um switch conecta e desconecta uma forte fonte de sinal elétrico – talvez um oscilador que produz uma onda senoidal flutuando 2 bilhões de vezes por segundo – à antena de transmissão. Quando a fonte de sinal está conectada, a antena produz uma onda de rádio, indicando um 1. Quando o interruptor está desconectado, não há onda de rádio, indicando um 0.
O que mostramos é que uma fonte de sinal energizada não é necessária. Em vez disso, o ruído térmico aleatório, presente em todos os materiais eletricamente condutores devido ao movimento dos elétrons movidos pelo calor, pode substituir o sinal que aciona a antena.
Sem almoço grátis
Somos engenheiros elétricos que pesquisam sistemas sem fio. Durante a revisão por pares de nosso artigo sobre essa pesquisa, publicado recentemente na Proceedings of the National Academy of Sciences, os revisores nos pediram para explicar por que o método não violava a segunda lei da termodinâmica, a principal lei da física que explica por que as máquinas de movimento perpétuo não são possíveis.
As máquinas de movimento perpétuo são máquinas teóricas que podem funcionar indefinidamente sem exigir energia de qualquer fonte externa. Os revisores temiam que, se fosse possível enviar e receber informações sem componentes energizados e com o transmissor e o receptor na mesma temperatura, isso significaria que você poderia criar uma máquina de movimento perpétuo. Como isso é impossível, implicaria que havia algo errado com nosso trabalho ou com nossa compreensão dele.
Uma maneira pela qual a segunda lei pode ser declarada é que o calor fluirá espontaneamente apenas de objetos mais quentes para objetos mais frios. Os sinais sem fio do nosso transmissor transportam calor. Se houvesse um fluxo espontâneo de sinal do transmissor para o receptor na ausência de uma diferença de temperatura entre os dois, você poderia coletar esse fluxo para obter energia livre, violando a segunda lei.
A resolução desse aparente paradoxo é que o receptor em nosso sistema é alimentado e age como uma geladeira. Os elétrons portadores de sinal no lado receptor são efetivamente mantidos frios pelo amplificador alimentado, semelhante a como um refrigerador mantém seu interior frio bombeando continuamente o calor para fora. O transmissor quase não consome energia, mas o receptor consome energia substancial, até 2 watts. Isso é semelhante aos receptores em outros sistemas de comunicação de ultra baixa potência. Quase todo o consumo de energia ocorre em uma estação base que não possui restrições no uso de energia.
Uma abordagem mais simples
Muitos pesquisadores em todo o mundo têm explorado métodos de comunicação passiva relacionados, conhecidos como backscatter. Um transmissor de dados de retroespalhamento é muito semelhante ao nosso dispositivo transmissor de dados. A diferença é que em um sistema de comunicação backscatter, além do transmissor de dados e do receptor de dados, existe um terceiro componente que gera uma onda de rádio. A comutação realizada pelo transmissor de dados tem o efeito de refletir essa onda de rádio, que é então captada no receptor.
Um dispositivo de retroespalhamento tem a mesma eficiência energética do nosso sistema, mas a configuração do retroespalhamento é muito mais complexa, pois é necessário um componente gerador de sinal. No entanto, nosso sistema tem menor taxa de dados e alcance do que os rádios backscatter ou os rádios convencionais.
Qual é o próximo
Uma área para trabalho futuro é melhorar a taxa de dados e o alcance de nosso sistema e testá-lo em aplicações como dispositivos implantados. Para dispositivos implantados, uma vantagem do nosso novo método é que não há necessidade de expor o paciente a um forte sinal de rádio externo, que pode causar aquecimento do tecido. Ainda mais emocionante, acreditamos que ideias relacionadas podem permitir outras novas formas de comunicação nas quais outras fontes de sinais naturais, como ruído térmico de tecido biológico ou outros componentes eletrônicos, podem ser modulados.
Finalmente, este trabalho pode levar a novas conexões entre o estudo do calor (termodinâmica) e o estudo da comunicação (teoria da informação). Esses campos são frequentemente vistos como análogos, mas este trabalho sugere algumas conexões mais literais entre eles.
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