Récupération d'énergie mécanique proche des limites physiques par synthèse adiabatique de la dynamique électromécanique – NearLimits

Le projet NearLimits contribue au développement de la technologie de récupération d’énergie vibratoire en proposant une technique appelée "Récupération d'énergie proche des limites physiques" basé sur un contrôle actif de la dynamique électromécanique du système, ce qui est en rupture avec les approches conventionnelles. Cette technique est particulièrement adaptée pour alimenter des dispositifs biomédicaux (portables ou implantés) en récupérant l’énergie des mouvements du corps humain. Ces mouvements sont caractérisés par des vibrations irrégulières et/ou à de très basses fréquences (< 10Hz). Les systèmes conventionnels de récupération d’énergie mécanique, basés sur des résonateurs linéaires ou non, sont peu efficaces dans ce contexte. Ces derniers sont en effet souvent optimisés pour des vibrations canoniques, de type harmonique ou bruit blanc gaussien. L’approche proposée dans ce projet promet un gain d’un à deux ordres de grandeur en termes de puissance convertie, en visant des densités de puissance de l’ordre de 100 µW/cm3 pour des vibrations typiques. La méthode de conception associée est résolument orientée vers les spécificités des vibrations de chaque application.

Ce projet se propose de prouver la faisabilité de cette approche « proche des limites physiques » pour la conversion d’énergie des vibrations ambiantes à basse fréquences et/ou irrégulières. Il s’agit notamment de montrer qu’une synthèse active de la trajectoire de la masse mobile requise par le principe « proche des limites » peut être réalisée par un circuit de contrôle adiabatique (à faibles pertes d’énergie), lui-même actionné de façon appropriée. La réalisation physique de cette synthèse active s’appuie sur le contrôle de la dynamique de la masse mobile par un transducteur électrostatique différentiel réalisé en technologie MEMS (microelectromechanical systems) silicium, qui intègre également les fonctions de capteurs nécessaires à l’implémentation du contrôle. En outre, la conception du système circuit de contrôle + transducteur implémentant l’approche « proche des limites » est fait en lien étroit avec les caractéristiques des vibrations de l’application visée. Ainsi, les caractéristiques des vibrations déterminant la performance des récupérateurs « proche des limites » seront identifiées, ainsi que leur impact sur le dimensionnement du système. Cela permettra de restreindre la classe des vibrations visées à celles pour lesquelles le concept « proche des limites » est fondamentalement supérieur aux approches conventionnelles.

Trois défis scientifiques et techniques principaux se posent :
- La recherche d’un circuit de conditionnement dont la dynamique, lorsque couplé au transducteur, résulte en la trajectoire optimale de la masse mobile, tout en assurant un transfert adiabatique de l’énergie. C’est un défi car le problème ne se pose généralement pas en ces termes dans les systèmes classiquement étudiés en automatique ;
- Les circuits de contrôle devront supporter des hautes tensions inhérentes à la physique des transducteurs électrostatiques miniatures (typiquement de l’ordre de 100 V), tout en consommant peu. Cet aspect est une contrainte supplémentaire dans le choix du circuit et donc de la loi contrôle ;
- L’architecture du dispositif MEMS doit embarquer simultanément une structure de transduction différentielle et un bloc de mesure de position, résultant en des structures complexes.

Le projet prévoit la réalisation de deux prototypes, l’un basé sur un dispositif mécanique macroscopique imprimé en 3D, l’autre sur un dispositif MEMS réalisé dans une technologie silicium à couche structurelle épaisse. Le dispositif et son électronique de contrôle seront dimensionnés pour viser un type de vibration réaliste pré-identifié (par exemple, mouvement du corps humain). Le système complet sera alors testé pour prouver expérimentalement l’avantage de l’approche « proche des limites » dans ce cas.