Nuevos sensores mantienen inactivos los dispositivos IoT para ahorrar energía

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) están creando un tipo de sensor más pequeño que la punta de un dedo que podría allanar el camino a dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) cada vez más pequeños. Estos sensores utilizan receptores de activación que mantienen los dispositivos en un modo de “suspensión” de bajo consumo cuando no están en uso, preservando así la duración de la batería.

Este receptor de activación ocupa menos de una décima parte que los modelos anteriores y consume sólo unos pocos microvatios: su chip mide poco más de 1 milímetro cuadrado. También incorpora un sistema de autenticación capaz de proteger contra cierto tipo de ataques que pueden agotar rápidamente la batería.

Otros tipos habituales de receptores de activación tienen un tamaño centimétrico, ya que sus antenas deben ser proporcionales al tamaño de las ondas de radio que utilizan para comunicarse. En cambio, el equipo del MIT desarrolló un modelo que utiliza ondas en la escala de los terahercios, aproximadamente una décima parte de la longitud de las ondas de radio.

Las ondas en el rango de los terahercios se encuentran en el espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja, tienen frecuencias muy altas y viajan mucho más rápido que las ondas de radio. A veces llamadas “haces de lápiz”, las ondas de terahercios recorren un camino más directo que otras señales, lo que las hace más seguras.

Los investigadores utilizaron este receptor de activación para demostrar la comunicación inalámbrica a varios metros de distancia, lo que demuestra que este alcance podría permitir su uso en sensores miniaturizados. Por ejemplo, el receptor podría incorporarse a microrobots que vigilaran cambios ambientales en zonas demasiado pequeñas para que otros robots pudieran llegar a ellas. Además, como el dispositivo emplea ondas en la gama de los terahercios, podría emplearse en aplicaciones emergentes, como redes de radio desplegables sobre el terreno que funcionen como enjambres para recoger datos localizados.

“Utilizando frecuencias en la gama de los terahercios, podemos fabricar una antena de sólo unos cientos de micrómetros de lado e integrarla en el chip. En resumen, esto nos permite construir un receptor muy pequeño para conectarlo a pequeños sensores o radios”, explica Eunseok Lee, estudiante de posgrado de ingeniería eléctrica e informática y autor principal de un artículo sobre el receptor de activación. La investigación se presentó en la Conferencia de Circuitos Integrados Personalizados del IEEE.

Consumo de energía

A menudo, los receptores multiplican la señal de terahercios por otra señal para cambiar su alta frecuencia, un proceso conocido como modulación por mezcla de frecuencias. Sin embargo, la mezcla en terahercios consume mucha energía.

Los investigadores del MIT desarrollaron entonces un detector de consumo energético nulo que puede detectar ondas de terahercios sin necesidad de mezclar frecuencias. La solución utiliza un par de transistores diminutos como antenas que consumen muy poca energía.

Incluso con dos antenas en el chip, el nuevo receptor de activación sólo mide 1,54 milímetros cuadrados y consume menos de 3 microwatios de energía. Esta configuración de doble antena maximiza el rendimiento y facilita la lectura de las señales.

Una vez recibidas las señales, el chip las amplifica y convierte los datos analógicos en una señal digital para su procesamiento. Esta señal digital lleva un token (secuencia de bits) que, si coincide con el token del receptor, activará el dispositivo IoT.

¿Y la seguridad?

En la mayoría de los receptores de activación, el mismo token se reutiliza varias veces, por lo que un atacante podría descubrirlo y enviar una señal coincidente para activar el dispositivo repetidamente, utilizando lo que se denomina un “ataque de denegación de sueño”.

“Con un receptor de activación, la vida de los dispositivos puede prolongarse de un día a un mes, por ejemplo, pero un atacante podría utilizar un ‘ataque de denegación de sueño’ para agotar toda la vida de la batería en menos de un día. Por eso pusimos autenticación en nuestro receptor de activación”, explica Lee.

El nuevo bloque de autenticación del receptor utiliza un algoritmo para aleatorizar los tokens en el dispositivo, utilizando una clave que se comparte con los remitentes de confianza. Esta clave funciona como una contraseña: si un emisor la conoce, puede enviar señales con el token correcto. Los investigadores utilizan para ello una técnica conocida como criptografía ligera, que garantiza que el proceso de autenticación consuma sólo unos pocos nanovatios más de energía.

Se probó un dispositivo que enviaba señales en el rango de los terahercios al receptor de activación y los investigadores aumentaron la distancia entre el chip y la fuente. De este modo, pudieron determinar la sensibilidad del receptor, es decir, la intensidad mínima de señal necesaria para que el dispositivo detectara correctamente las señales. Las señales que viajan más lejos tienen menos energía.

“Pudimos alcanzar distancias de 5 a 10 metros más que otros, utilizando un dispositivo de tamaño muy reducido y con un consumo de energía al nivel de los microvatios”, detalla Lee.

Para ser más eficaces, las ondas de terahercios deben incidir directamente en el detector. Si el chip está inclinado, se perderá parte de la señal. Así que los investigadores combinaron el dispositivo con un nuevo conjunto orientable de haces de terahercios para dirigir las ondas con precisión. Esta técnica permite enviar la comunicación a varios chips con una pérdida de señal mínima.

En el futuro, los investigadores quieren resolver este problema de degradación de la señal. Si logran mantener la intensidad de la señal cuando los chips receptores se mueven o inclinan ligeramente, podrían aumentar el rendimiento de los dispositivos. También quieren demostrar su receptor despertador en sensores muy pequeños y ajustar la tecnología para utilizarla en dispositivos del mundo real.

Ya han desarrollado una rica cartera de tecnologías para futuras plataformas milimétricas de detección, marcado y autenticación, que incluye la retrodispersión de terahercios, la captación de energía y la dirección y enfoque del haz eléctrico. Ahora, esa cartera será aún más completa con el primer receptor de activación de terahercios, esencial para ahorrar la limitadísima energía disponible en las miniplataformas.