Исследователям пришлось решить три ключевые задачи, чтобы разработать эффективный, безбатарейный датчик, собирающий энергию. Во-первых, система должна иметь возможность холодного запуска, то есть запускать свою электронику без начального напряжения. Этого удалось достичь с помощью сети интегральных схем и транзисторов, которые позволяют системе сохранять энергию до тех пор, пока она не достигнет определенного порога. Система включается только после того, как накопит достаточно энергии для полноценной работы.

Во-вторых, система должна эффективно хранить и преобразовывать энергию, которую она собирает, без использования батареи. Хотя исследователи могли бы включить батарею, это усложнило бы систему и могло бы создать риск возгорания. Чтобы избежать использования аккумулятора, ученые добавили внутренний накопитель энергии с конденсаторами. Конденсатор проще батареи: он хранит энергию в электрическом поле между проводящими пластинами. Конденсаторы могут быть изготовлены из различных материалов, а их возможности настраиваются в соответствии с различными условиями эксплуатации, требованиями безопасности и доступным пространством.

Команда тщательно спроектировала конденсаторы, чтобы они были достаточно большими для хранения энергии, необходимой устройству для включения и начала сбора энергии, но при этом достаточно маленькими, чтобы фаза зарядки не занимала слишком много времени. Поскольку датчику могут потребоваться недели или даже месяцы, прежде чем он включится для проведения измерений, ученые позаботились о том, чтобы конденсаторы могли удерживать достаточно энергии, даже если со временем часть из них выйдет из строя.

В-третьих, исследователи разработали серию алгоритмов управления, которые динамически измеряют и учитывают энергию, которую устройство собирает, хранит и использует. Микроконтроллер, «мозг» интерфейса управления энергопотреблением, постоянно проверяет, сколько энергии хранится, и принимает решение, включать или выключать датчик, выполнить измерение или увеличить энергопотребление для более сложных сенсорных задач.

Основываясь на этой схеме проектирования, ученые создали систему управления энергопотреблением для обычного температурного датчика. Устройство использует энергию от магнитного поля для постоянного сбора данных о температуре, которые передаются на смартфон через Bluetooth. При разработке они использовали схемы с очень низким энергопотреблением, но столкнулись с ограничениями по напряжению, что могло привести к повреждению устройства. Для предотвращения этого их система автоматически регулирует или уменьшает сбор энергии в микроконтроллере, если количество накопленной энергии становится избыточным и может представлять опасность для нормальной работы.

Универсальная конструкция не ограничивается датчиками, собирающими энергию магнитного поля, и может применяться к другим источникам энергии, таким как вибрации или солнечный свет.

Инженеры также обнаружили, что передача данных, собранных датчиком температуры — самая энергоемкая операция. В будущем планируется изучить менее энергоемкие способы передачи данных, например, использование оптики или акустики. Ученые также хотят точнее моделировать и прогнозировать, сколько энергии может поступать в систему или сколько энергии потребуется датчику для проведения измерений.