Novos sensores mantêm dispositivos IoT latentes para poupar energia

Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) estão criando um tipo de sensor menor que a ponta do dedo que pode abrir caminho para dispositivos da Internet das Coisas (IoT) cada vez menores. Esses sensores usam receptores de ativação que mantêm os dispositivos em modo “suspenso” com baixo consumo de energia quando não estão em uso, preservando a vida útil da bateria.

Esse receptor de ativação tem menos de um décimo do tamanho dos modelos anteriores e consome apenas alguns microwatts – seu chip tem pouco mais de 1 milímetro quadrado de tamanho. Também incorpora um sistema de autenticação capaz de proteger contra um certo tipo de ataque que pode esgotar rapidamente a bateria.

Outros tipos comuns de receptores de ativação possuem tamanho na escala dos 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 desenvolveu um modelo que utiliza ondas na escala de terahertz, com cerca de um décimo do comprimento das ondas de rádio.

Ondas na casa do terahertz são encontradas no espectro eletromagnético entre as micro-ondas e a luz infravermelha, têm frequências muito altas e viajam muito mais rapidamente que as ondas de rádio. Às vezes chamadas de “pencil beams”, as ondas de terahertz percorrem um caminho mais direto do que outros sinais, o que as torna mais seguras.

Os pesquisadores usaram esse receptor de ativação para demonstrar a comunicação sem fio a vários metros de distância, mostrando que esse alcance pode permitir o uso do fosse em sensores miniaturizados. Por exemplo, o receptor pode ser incorporado a microrrobôs que monitoram mudanças ambientais em áreas muito pequenas para outros robôs alcançarem. Além disso, como o dispositivo usa ondas na casa do terahertz, pode ser utilizado em aplicações emergentes, como redes de rádio implantáveis em campo que funcionam como enxames para coletar dados localizados.

“Ao usar frequências na escala de terahertz, podemos fazer uma antena com apenas algumas centenas de micrômetros de cada lado e integrá-las ao chip. Em resumo, isso nos permite construir um receptor muito pequeno para ser conectado a pequenos sensores ou rádios”, explica Eunseok Lee, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação e principal autor de um artigo sobre o receptor de ativação. A pesquisa foi apresentada na Conferência de Circuitos Integrados Personalizados do IEEE.

Consumo de energia

Muitas vezes receptores multiplicam o sinal terahertz por outro sinal para alterar sua alta frequência, um processo conhecido como modulação de mixagem de frequência. No entanto, a mixagem em terahertz consome muita energia.

Os pesquisadores do MIT desenvolveram, então, um detector com zero consumo de energia que pode detectar ondas terahertz sem a necessidade de mixagem de frequência. A solução usa um par de minúsculos transistores como antenas que consomem muito pouca energia.

Mesmo com duas antenas no chip, o novo receptor de ativação tem apenas 1,54 milímetros quadrados de tamanho e consume menos de 3 microwatts de energia. Essa configuração de antena dupla maximiza o desempenho e facilita a leitura de sinais.

Uma vez recebidos os sinais, o chip os amplifica e converte dados analógicos em sinal digital para processamento. Esse sinal digital carrega um token (sequência de bits) que, se corresponder ao token do receptor, ativará o dispositivo IoT.

E a segurança?

Na maioria dos receptores de ativação, o mesmo token é reutilizado várias vezes, então um invasor poderia descobri-lo e enviar um sinal corresponde para ativar o dispositivo repetidas vezes, usando o que é chamado de “ataque de negação de sono”.

“Com um receptor de ativação, a vida útil dos dispositivos pode ser ampliada de um dia para um mês, por exemplo, mas um invasor poderia 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 Lee.

O bloco de autenticação do novo receptor utiliza um algoritmo para randomizar tokens no dispositivo, usando uma chave que é compartilhada com remetentes confiáveis. Essa chave funciona como uma senha – se um remetente souber a senha, poderá enviar sinais com o token correto. Os pesquisadores fazem isso usando uma técnica conhecida como criptografia leve, que garante que o processo de autenticação consuma apenas alguns nanowatts extras de energia.

Um dispositivo foi testado enviando sinais na casa de terahertz para o receptor de ativação e os pesquisadores foram aumentando a distância entre o chip e a fonte. Dessa forma, puderam identificar a sensibilidade do receptor, ou seja, a potência de sinal mínima necessária para dispositivo detectar sinais com sucesso. Sinais que viajam mais longe têm menos energia.

“Conseguimos alcançar distâncias de 5 a 10 metros a mais do que outros, usando um dispositivo com tamanho muito pequeno e consumo de energia no nível de microwatts”, detalha Lee.

Para serem mais eficazes, as ondas terahertz precisam atingir o detector diretamente. Se o chip estiver em ângulo, parte do sinal será perdida. Assim, os pesquisadores emparelharam o dispositivo com uma matriz dirigível de feixes de terahertz, recentemente desenvolvida para direcionar com precisão as ondas. Usando essa técnica, a comunicação pode ser enviada para vários chips com perda mínima de sinal.

No futuro, os pesquisadores querem resolver esse problema de degradação de sinais. Se encontrarem uma maneira de manter a intensidade dos sinais quando os chips receptores se moverem ou se inclinarem levemente, poderão aumentar o desempenho dos dispositivos. Também querem demonstrar seu receptor de despertar em sensores muito pequenos e ajustar a tecnologia para uso em dispositivos do mundo real.

Eles já desenvolveram um rico portfólio tecnológico para futuras plataformas de detecção, marcação e autenticação de tamanho milimétrico, incluindo retroespalhamento de terahertz, coleta de energia e direcionamento e foco de feixes elétricos. Agora, esse portfólio estará ainda mais completo com o primeiro receptor de ativação terahertz, que é essencial para economizar energia extremamente limitada disponível em miniplataformas.