Los científicos se esfuerzan por desarrollar dispositivos de internet de las cosas cada vez más pequeños, como sensores más pequeños que la yema de un dedo que podrían hacer rastreable casi cualquier objeto. Estos sensores diminutos tienen baterías minúsculas que a menudo son casi imposibles de reemplazar, por lo que los ingenieros incorporan receptores de activación que mantienen los dispositivos en modo de "reposo" de bajo consumo cuando no están en uso, preservando la vida útil de la batería.

Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo receptor despertador que tiene menos de una décima parte del tamaño de los dispositivos anteriores y consume solo unos pocos microvatios de energía. Su receptor también incorpora un sistema de autenticación incorporado de bajo consumo, que protege el dispositivo de cierto tipo de ataque que podría agotar rápidamente su batería.

Muchos tipos comunes de receptores despertadores se construyen en la escala de centímetros, ya que sus antenas deben ser proporcionales al tamaño de las ondas de radio que utilizan para comunicarse. En cambio, el equipo del MIT construyó un receptor que utiliza ondas de terahercios, que tienen aproximadamente una décima parte de la longitud de las ondas de radio. Su chip tiene un tamaño de poco más de 1 milímetro cuadrado. 

Usaron su receptor despertador para demostrar una comunicación inalámbrica efectiva con una fuente de señal que estaba a varios metros de distancia, mostrando un rango que permitiría usar su chip en sensores miniaturizados.

Por ejemplo, el receptor de activación podría incorporarse en microrobots que monitorean los cambios ambientales en áreas que son demasiado pequeñas o peligrosas para que otros robots las alcancen. Además, dado que el dispositivo utiliza ondas de terahercios, podría utilizarse en aplicaciones emergentes, como redes de radio implementables en campo que funcionan como enjambres para recopilar datos localizados.

“Al usar frecuencias de terahercios, podemos hacer una antena de solo unos cientos de micrómetros en cada lado, que es de un tamaño muy pequeño. Esto significa que podemos integrar estas antenas al chip, creando una solución totalmente integrada. En última instancia, esto nos permitió construir un receptor despertador muy pequeño que podía conectarse a sensores o radios diminutos”, dice Eunseok Lee, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) y autor principal de un artículo sobre el despertador. receptor arriba.

Lee escribió el artículo con sus coasesores y autores principales Anantha Chandrakasan, decano de la Escuela de Ingeniería del MIT y profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, quien dirige el Grupo de Sistemas y Circuitos de Eficiencia Energética, y Ruonan Han, un profesor asociado en EECS, quien lidera el Grupo de Electrónica Integrada de Terahercios en el Laboratorio de Investigación de Electrónica; así como otros en el MIT, el Instituto Indio de Ciencias y la Universidad de Boston. La investigación se presenta en la Conferencia de circuitos integrados personalizados de IEEE. 

Reduciendo el receptor

Las ondas de terahercios, que 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 viajan en un camino más directo que otras señales, lo que las hace más seguras, explica Lee.

Sin embargo, las ondas tienen frecuencias tan altas que los receptores de terahercios a menudo multiplican la señal de terahercios por otra señal para alterar la frecuencia, un proceso conocido como modulación de mezcla de frecuencias. La mezcla de terahercios consume una gran cantidad de energía.

En cambio, Lee y sus colaboradores desarrollaron un detector de consumo de energía cero que puede detectar ondas de terahercios sin necesidad de mezclar frecuencias. El detector utiliza un par de diminutos transistores como antenas, que consumen muy poca energía.

Incluso con ambas antenas en el chip, su receptor despertador tenía un tamaño de solo 1,54 milímetros cuadrados y consumía menos de 3 microvatios de potencia. Esta configuración de antena dual maximiza el rendimiento y facilita la lectura de las señales.

Una vez recibidos, su chip amplifica una señal de terahercios y luego convierte los datos analógicos en una señal digital para su procesamiento. Esta señal digital lleva un token, que es una cadena de bits (0 y 1). Si el token corresponde al token del receptor despertador, activará el dispositivo.

Aumento de la seguridad

En la mayoría de los receptores de activación, el mismo token se reutiliza varias veces, por lo que un atacante que escucha a escondidas podría descubrir de qué se trata. Luego, el hacker podría enviar una señal que activaría el dispositivo una y otra vez, usando lo que se llama un ataque de denegación de sueño.

“Con un receptor de activación, la vida útil de un dispositivo podría mejorarse de un día a un mes, por ejemplo, pero un atacante podría usar un ataque de denegación de sueño para agotar toda la vida útil de la batería incluso en menos de un día. . Por eso ponemos la autenticación en nuestro receptor despertador”, explica.

Agregaron un bloque de autenticación que utiliza un algoritmo para aleatorizar el token del dispositivo cada vez, usando una clave que se comparte con remitentes confiables. Esta clave actúa como una contraseña: si un remitente conoce la contraseña, puede enviar una señal con el token correcto. Los investigadores hacen esto utilizando una técnica conocida como criptografía ligera, que garantiza que todo el proceso de autenticación solo consuma unos pocos nanovatios de energía adicionales. 

Probaron su dispositivo enviando señales de terahercios al receptor despertador a medida que aumentaban la distancia entre el chip y la fuente de terahercios. De esta manera, probaron la sensibilidad de su receptor: la potencia de señal mínima necesaria para que el dispositivo detecte una señal con éxito. Las señales que viajan más lejos tienen menos potencia.

“Logramos demostraciones de distancia de 5 a 10 metros más largas que otras, utilizando un dispositivo con un tamaño muy pequeño y un consumo de energía de nivel de microvatios”, dice Lee.

Pero para ser más efectivas, las ondas de terahercios deben golpear el detector de manera directa. Si el chip está en ángulo, se perderá parte de la señal. Entonces, los investigadores combinaron su dispositivo con una matriz orientable de haz de terahercios, desarrollada recientemente por el grupo Han, para dirigir con precisión las ondas de terahercios. Con esta técnica, la comunicación podría enviarse a varios chips con una pérdida de señal mínima.

En el futuro, Lee y sus colaboradores quieren abordar este problema de degradación de la señal. Si pueden encontrar una manera de mantener la intensidad de la señal cuando los chips del receptor se mueven o se inclinan ligeramente, podrían aumentar el rendimiento de estos dispositivos. También quieren demostrar su receptor despertador en sensores muy pequeños y ajustar la tecnología para su uso en dispositivos del mundo real.

“Hemos desarrollado una rica cartera de tecnología para futuras plataformas de detección, etiquetado y autenticación de tamaño milimétrico, que incluyen retrodispersión de terahercios, recolección de energía y dirección y enfoque de haz eléctrico. Ahora, esta cartera es más completa con el primer receptor despertador de terahercios de Eunseok, que es fundamental para ahorrar la energía extremadamente limitada disponible en esas miniplataformas”, dice Han.

Otros coautores incluyen a Muhammad Ibrahim Wasiq Khan PhD ´22; Xibi Chen, estudiante de posgrado de EECS; Ustav Banerjee PhD ´21, profesor asistente en el Instituto Indio de Ciencias; Doctorado Nathan Monroe ´22; y Rabia Tugce Yazicigil, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston.