Ahora que estamos empezando a disfrutar de las ventajas de la tecnología 5G, investigadores de todo el mundo trabajan intensamente en el futuro de las comunicaciones inalámbricas: el 6G. Uno de los avances más prometedores de las telecomunicaciones 6G es la posibilidad de la comunicación por luz visible (Visible Light Communication, VLC), que es como una versión inalámbrica de la fibra óptica, la cual utiliza los destellos de luz para transmitir información. 

Esta tecnología, también denominada como LiFi, permite utilizar el espectro óptico para transmitir datos a alta velocidad de forma segura.  Sus características, como la alta velocidad, su ubicuidad (existen sistemas de iluminación en la mayoría de los espacios) y su seguridad (garantiza la protección contra accesos no autorizados, ya que la comunicación sólo es posible dentro de un área limitada), la convierten en una alternativa muy prometedora para complementar a los sistemas inalámbricos basados en radiofrecuencias (RF) como el WiFi y el 6G.

Dentro de los múltiples desarrollos que se están realizando en torno a esta tecnología, estudios recientes han demostrado que un transmisor VLC no solo emite señales de luz visible, sino que también “pierde” señales RF durante la transmisión. Teniendo en cuenta esto, un equipo de investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst ha desarrollado una innovadora y de bajo coste forma de recoger la energía residual de comunicaciones VLC utilizando el cuerpo humano como antena. Esta energía residual puede reciclarse para alimentar toda una serie de dispositivos portátiles o incluso aparatos electrónicos de mayor tamaño.

“La comunicación por luz visible es bastante sencilla e interesante. En lugar de utilizar señales de radio para enviar información de forma inalámbrica, utiliza la luz de unos LED que pueden encenderse y apagarse hasta un millón de veces por segundo. Además, parte del atractivo de esta tecnología es que la infraestructura ya está en todas partes: nuestras casas, vehículos, farolas y oficinas están iluminados por soluciones LED, que también podrían estar transmitiendo datos. Cualquier cosa con una cámara, como nuestros smartphones, tabletas u ordenadores portátiles, podría ser el receptor”, explica Jie Xiong, catedrático de Ciencias de la Información e Informática de UMass Amherst y autor principal del paper. 

Los investigadores lograron desarrollar un sistema denominado como Bracelet +, el cual es capaz de aprovechar la energía procedente de esta radiofrecuencia que se escapa de las transmisiones VLC, utilizando el cuerpo humano para ampliar la potencia cosechada. Al utilizar el cuerpo humano como medida de amplificación, la potencia media de la energía RF captada es 10 veces superior, del orden de los microvatios, sin causar interferencias en la comunicación de los sistemas VLC. Este nivel de microvatios de energía puede utilizarse para alimentar sensores de potencia ultrabaja, como sensores de temperatura o glucosa. 

Aprovechando las comunicaciones VLC para recoger energía

Jie Xiong, junto con el también autor del paper, Minhao Cui, estudiante de posgrado de Ciencias de la Información e Informática en UMass Amherst, ya habían demostrado anteriormente que en los sistemas VLC existe una importante “fuga” de energía, por que los LED también emiten «señales de RF de canal lateral», u ondas de radio. Si esta energía de RF filtrada pudiera recogerse, podría aprovecharse.

El primer paso del equipo fue el diseño de una antena de alambre de cobre en espiral capaz de recoger esta radiofrecuencia filtrada. Posteriormente se propusieron como objetivo el maximizar la captación de energía. 

Para ello, el equipo experimentó con diferentes diseños de la antena, desde el grosor del cable hasta el número de veces que se enrollaba, observando que la eficacia de la antena variaba según lo que tocaba. Probaron a apoyar la bobina sobre plástico, cartón, madera y acero, así como a tocar paredes de distintos grosores, teléfonos encendidos y apagados y ordenadores portátiles. Y entonces a Cui se le ocurrió la idea de ver qué pasaba cuando la bobina entraba en contacto con un cuerpo humano.

“Inmediatamente se hizo evidente que el cuerpo humano es el mejor medio para amplificar la capacidad de la bobina de recoger la energía de radiofrecuencia filtrada, hasta diez veces más que la bobina desnuda por sí sola”, afirman los investigadores. 

Tras muchos experimentos, el equipo dio con «Bracelet+», una simple bobina de alambre de cobre que se lleva como pulsera en la parte superior del antebrazo. Los resultados mostraron que esta modalidad de recolección de energía aumentada al estar en contacto con el cuerpo humano, podía cosechar hasta 10 veces más energía de radiofrecuencia de los sistemas VLC que el diseño convencional de bobina, logrando una cosecha de energía de microvatios.

En concreto, Bracelet+ puede recoger energía de radiofrecuencia del orden de microvatios de un único LED de baja potencia a un metro y medio de distancia. Esta energía puede utilizarse para sensores de baja potencia como los de temperatura, electrocardiograma, fotopletismografía, glucosa y movimiento. Estos sensores están diseñados para realizar mediciones con una frecuencia muy baja (por ejemplo, una vez cada 10 minutos) y transmitir datos a baja velocidad, con consumos de entorno a los microvatios. 

Aunque el diseño puede adaptarse para llevarlo como anillo, cinturón, tobillera o collar, el brazalete parece ofrecer el equilibrio adecuado entre captación de energía y portabilidad.

“El diseño es barato: menos de cincuenta céntimos. Pero Bracelet+ puede alcanzar hasta microvatios, suficientes para soportar muchos sensores, como los de control de la salud en el cuerpo, que necesitan poca energía para funcionar debido a su baja frecuencia de muestreo y su larga duración en modo de reposo”, señalan los investigadores.

Este trabajo de investigación ganó el prestigioso premio al mejor paper de la Association for Computing Machinery’s Conference on Embedded Networked Sensor Systems. Puede consultar el mismo a través del siguiente enlace (pdf):

https://people.cs.umass.edu/~minhaocui/sensys22.pdf

Imagen de portada: Ilustración de la fuga de energía de radiofrecuencia recogida en el VLC por las bobinas de pulsera con y sin cuerpo humano, donde la amplitud de la señal aumenta en gran medida con el cuerpo humano. Créditos: Harvesting the Leaked RF Energy in VLC with Wearable Bracelet Antenna, 2022