自己給電センサー：ユビキタスIoT実現へのバッテリー障壁を打破

2021年9月27日

なぜ自己給電センサーがゲームチェンジャーなのか

物体にコンピューティングデバイスを搭載し、インターネット経由でデータを送信できるようにすることは、長年ビジネス運営と個人の生活に革命をもたらすと期待されてきた。IoT（Internet of Things）はスマートフォン、コネクテッドサーモスタット、ウェアラブルフィットネストラッカー、さらには飲水量を監視する水筒などを通じて明らかに私生活に影響を与えているが、専門家の予想よりも普及が遅く、産業分野での定着は予想以上に遅れている。

1兆個のバッテリー問題

2012年、IBMは2015年までに1兆個の接続デバイスを予測した。世界はその数に遠く及ばなかった。IBMの1兆デバイス予測の含意の一つはボリュームだ──1兆個のIoTセンサーがデータを収集・分析・送信し続けるために、1兆個のバッテリーが必要になる。これまでのイノベーションの焦点はバッテリー寿命延長にあった。2017年京都VLSI回路シンポジウムで発表された論文では、IoTデバイスのバッテリー寿命延長に向けた業界の新手法が説明されている。

業界が平均10年のIoTバッテリー寿命という目標を達成したと仮定しよう。1兆デバイスの世界では、毎日何個のバッテリー交換が必要か？答え：2億7,397万2,603個。さらに悪いことに、業界が目標を下回り2年寿命しか実現できなければ、地球上の全人類（74億人）が5日ごとにバッテリーを交換することになる。

毎日10億個以上のバッテリーを交換し続けることは不可能だ。ベストケースでも、1兆IoTデバイスを駆動するには毎日2億7,400万個のバッテリー交換が必要だ。それもすべてのバッテリーが満期の10年寿命に達したと仮定してだ。明らかにこれは実現可能な計画ではない。

昼食までに最初の1億3,700万個のバッテリーを交換できるか？

自社ビジネスでIoTを実際に活用する際の現実的な観点で考えてみよう。

施設全体に1万台の産業用IoTデバイスを導入したと想像してほしい──機械・設備の健全性と性能のリアルタイムデータを送信するセンサー、各セクターの温度・空気質監視、毒物漏洩チェック、蒸気システム・HVACシステム等の重要インフラステータス伝達のために戦略的に配置されたセンサーだ。

楽観的な5年平均寿命と仮定しても、年間約2,000個、毎日約5個のバッテリー交換が必要だ（家庭用火災報知器の問題をステロイドで強化したようなもの）。デバイスの種類によっては、バッテリー自体の交換コストが数ドルから数百ドルになる。さらに懸念されるのは、リモートセンサーまで行ってバッテリーを交換するコストが、バッテリー代より遥かに高いことが多いことだ。

これらはすべて、Institution of Mechanical Engineersが引用した2017年のレポートで「バッテリーを排除しなければIoTは普及しない」と結論づけられた理由を説明している。これは最も基本的な問題だ──業界はバッテリー寿命延長に注力しているが、バッテリーへの依存自体を排除することには注力していない。

バッテリーがコスト効率の良いIIoT導入を制限する5つの理由

バッテリー駆動センサーは手動メンテナンスを必要とする
最も明確な問題は、すべてのバッテリーが最終的に交換を必要とすることだ。前述の通り、死んだバッテリーへのアクセスと交換コスト（手動プロセスであるため）は、リソースと工数の面からは新品バッテリー代より遥かに大きいことが多い。頻繁な手動作業の必要性は、コネクテッドセンサーの核心的価値を即座に損なう。

有限寿命がミッションクリティカルデータのギャップを生む
バッテリー切れの必然性は、バッテリー検査・交換に要する限界的労働・資本コスト以上の影響を及ぼす。プラントのIoTセンサーを監視するチームがバッテリー切れを即座に発見し、速やかに現場で交換できなければ、その間にセンサーが収集・送信していたデータが永久に失われる。ワイヤレスセンサーネットワークでは、慎重に管理してもバッテリーは急速に消耗する。

産業プラントの一部センサーは、安全性とコンプライアンスの観点からミッションクリティカルなデータを記録・ストリーミングしている。バッテリー切れはビジネスに重大な危険をもたらす。

バッテリー寿命を温存するため、センサーはデータ送信頻度を下げて設定されることが多い
理想的には、産業プラントのIoTデバイス──例えば化学操作近くに設置され、大気中の有毒漏洩を継続監視するセンサー──は極めて高頻度でデータを送信すべきだ。1分間に数回の更新が理想的だ。

しかしデータ送信のたびに電力を消費する。バッテリー寿命を延ばすため、多くのIoTセンサーは理想よりはるかに低頻度──時には24時間に1回──でデータ送信するよう設定されている。

これにより、プラントオペレーターがセンサーの取得データについて不正確な把握しかできなくなる可能性がある。

物理寸法がセンサー機能を制限する
バッテリーはIoTセンサーシステムで最大の部品になることが多く、エンジニアのバッテリー選択肢を制限する。さらに、バッテリーのサイズ・重量・寸法がセンサーの有用性を制限する。物理特性が、センサーの実行可能なアプリケーションタイプ、基板上で共存できる他コンポーネント、配置可能場所（埋め込み場所はバッテリー交換必要なため不可）を制約するためだ。

安全リスクと環境負荷の可能性
米国立衛生研究所（NIH）報告によれば、IoTセンサーで一般的に使用されるリチウム電池は「潜在的に有毒な材料により、環境汚染と人体への悪影響に実質的に寄与する可能性がある」。

世界中でバッテリー駆動IoTデバイスの展開が継続・拡大する──特に予測通り数十億、数百億台規模で展開されるなら──ことは特に懸念される。

バッテリーレスソリューション
産業IoT革命の解決策：完全に自己給電型のワイヤレスIoTセンサーを中心とした、完全に開発されたユビキタスセンシングソリューションに必要なすべてのコンポーネントを統合したエンドツーエンドシステムだ。

新しい特許取得済みコア半導体とワイヤレスネットワーキング技術により、デバイスは環境収穫された低レベルエネルギーで動作し、超低消費電力操作を無期限に可能にするほどの電力を生成できる。センサーは継続的に動作し、バッテリーを一切必要としない。

エネルギーは複数のソースから収穫される──低レベル屋内太陽光、屋外太陽光、熱電効果（温度勾配から周囲エネルギーを捕捉）、圧電材料（特定の結晶やセラミック）の振動、さらには環境を伝わる電波からも。他の「低消費電力」だが単一目的のエナジーハーベスティング電子部品とは異なり、新しい完全センサーデバイスは複数のセンサーで多様なデータを収集するだけでなく、同じバッテリーレス電力予算でデータの処理、分析、ワイヤレス送信まで実行できる。

自己給電システムを「永遠のセンサー」と考えてほしい。メンテナンスやバッテリーレベルチェックのための物理的検査の心配なく導入できるからだ。

バッテリー問題が産業用Internet of Things（IIoT）の採用を阻害し、産業企業がパーベイシブセンシング能力による、これまでアクセス不可能だった実行可能インテリジェンスの生成といった莫大なメリットを享受できないでいる。解決策は、物理センサー、データ取得・処理機能、ワイヤレス通信、分析・レポートソフトウェアプラットフォームという環境全体が真のエコシステムとして動作するよう設計された、統合されたフルスタック・パーベイシブセンシングプラットフォームだ。これらのイノベーションが、IIoTが約束する数兆ドルの価値を企業がついに実現する助けとなる。

Rafael Reyes氏は現在、バッテリーレスワイヤレスセンサーとクラウド分析を組み合わせてエンドツーエンド産業IoTソリューションを提供するテクノロジー企業Everactiveのプロダクトマーケティングディレクターで、新製品の顧客中心ゴートゥーマーケット戦略と既存製品のプロモーション戦略を推進している。
Rafael氏はプロダクトマーケティングとプロダクト開発で10年以上、戦略計画で5年、事業部管理で5年の経験を持ち、すべてB2CとB2B企業での経験だ。