imZ曹操讀書網

把整個房間轉變成無線能量傳輸系統，圖片來源@Nature ElectronicsimZ曹操讀書網

文丨學術頭條，作者丨庫珀，編審丨寇建超imZ曹操讀書網

21 世紀，家家戶戶都有各類電子設備，比如手機、智能穿戴、分布式傳感器和機器人等，已經廣泛應用于工業和個人生活之中。imZ曹操讀書網

但是，這些電子設備通常需要有線充電或一次性電池供電，多多少少還是有點麻煩，而且一次性電池還會造成環境污染，在這樣的背景下，無線電力傳輸的好處被廣泛看好，尤其是伴隨著最新無線通信技術的商業化而備受矚目?，F在的無線功率傳輸技術，能安全地將功率傳輸到一些貼近的電子設備中，但眾所周知的問題是，目前可交付的無線充電和傳輸距離之間的權衡一直在阻礙著此類技術的進一步發展，想要一種遠距離、無線、高功率充電或供電技術，是整個工業界的夢想。imZ曹操讀書網

如今，這個夢想可能很快要成真了。日前，發表在《自然·電子學》上的一篇最新論文報告了一種全新的無線供電黑科技，研究人員基于多模準靜態腔共振（M-QSCR）的方法實現了室內規模的無線功率傳輸，在整個 3m×3m×2m 的試驗室中，實現了超過 37.1% 的功率傳輸效率，根據安全指南分析驗證，超過 50W 的功率可被輸送到移動接收器。imZ曹操讀書網

實驗數據證實，這種貨真價實的房間級磁準靜態無線電力傳輸，可以為智能手機和小家電等電子設備輕松充電和供電。imZ曹操讀書網

設想一下，如果這種技術能夠普及開來，該有多酷？imZ曹操讀書網

無線功率傳輸的最新路徑

業內早期對無線功率傳輸的嘗試，主要基于電磁（EM）輻射（例如微波），盡管現代波束形成技術現在能在一定距離內有效地傳輸功率，但它們需要大型天線陣列和復雜的機制來進行連續跟蹤。此外，由于微波會與生物組織產生相對較大的副作用，因此可能還會出現安全問題。imZ曹操讀書網

為了在不損害健康的情況下實現更高的功率水平，業界在磁共振耦合方向進行了諸多探索，即利用磁場在一對基于線圈的諧振器之間傳輸功率。然而，隨著距離的增加，磁場強度會迅速降低，這種方法的功率傳輸范圍一般限制在線圈直徑附近。imZ曹操讀書網

此外，由于耦合不足，具有大發射機和小接收機的不對稱系統表現出低效率，并且多線圈的使用僅將該范圍擴展到二維表面。imZ曹操讀書網

準靜態諧振腔（QSCR）使用具有中心極和插入集總電容器的房間尺度諧振腔，這種方法通過廣泛分布在結構上的電流在房間內產生三維磁場分布，與使用傳統腔諧振器用于無線電源相比，該技術的優點是將主要干擾生物組織的電場限制在集總電容器內，同時還可以通過調整集總電容器的值來調節系統共振頻率。然而，QSCR 的場分布是不均勻的，因而導致有很大一部分房間體積的功率傳輸效率低下。imZ曹操讀書網

最近有分析表明，通過將 QSCR 擴展到多模結構，可以在更大體積上實現有效的功率傳輸。imZ曹操讀書網

基于此，研究人員通過實驗證明，可以通過使用一個房間規模的多模諧振器來實現，該諧振器可以產生兩個獨特且分布廣泛的磁場模式，當一起使用時，這些磁場模式足以覆蓋整個體積。imZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

實驗中，研究人員利用 M-QSCR 技術在整個尺寸為 3m×3m×2m 的試驗室中實現了電力的高效輸送，他們使用由導電表面和集電容器組成的共振結構，以適應具有相互獨特的振蕩表面電流模式的多個共振模式。imZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

圖｜M-QSCR 技術原理示意imZ曹操讀書網

基于這種方法，研究人員展示了電子設備的最新充電和供電方式，如臺燈、風扇和智能手機等，都可以在一個帶家具的房間里實現無線供電。模擬還表明，如此房間規模的諧振器可以安全地為功率范圍小到 1/5000 的設備提供超過 50W 的功率。imZ曹操讀書網

這種方法還有兩種模式，被稱為極點獨立（PI）模式和極點相關（PD）模式。imZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

圖｜PI 模式和 PD 模式imZ曹操讀書網

當 PI 模式被激發時，電流僅流經墻壁、天花板和地板，并在墻壁附近產生強磁場分布；相反，PD 模式會產生一個流過中心極的電流，該電流會產生一個磁場，該磁場在中心極周圍循環，在中心極附近最強。imZ曹操讀書網

兩種模式產生的磁場分布覆蓋了每種模式的薄弱區域。因此，通過復用這些諧振模式，可以獲得比任何一種模式都能覆蓋的更大體積的強磁場。imZ曹操讀書網

讓人驚喜的功率傳輸效率

研究人員通過模擬和測量確定 3m×3m×2m 房間尺度諧振器和 150mm×150mm 接收機之間的功率傳輸效率，接收器的最小功率為通電范圍的 1/5000，這可以被視為高度不對稱的配置，通常會受到耦合不足的影響。imZ曹操讀書網

對于接收器，研究人員使用六匝 150 mm×150 mm 方形線圈和串聯電容器連接以調諧諧振頻率，在測量中，使用外部驅動線圈來刺激房間規模諧振器的諧振模式。imZ曹操讀書網

實驗結果表明，該系統形成了一個三維供電范圍，兩種模式成功地互補了彼此的零區。整個體積的評估表明，通過基于接收器位置多路復用 PI 和 PD 模式，提議的方法在 98.0% 的房間體積中實現了超過 50% 的效率。imZ曹操讀書網

此外，在房間體積內的任何位置，功率傳輸效率均大于 37.1%。imZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

圖｜評估電力傳輸效率imZ曹操讀書網

該分析還表明，僅 PD 模式（與先前的單模 QSCR 非常相似）可在 57.5% 的房間體積內實現超過 50% 的效率，其效率在靠近墻壁處則會降低至 1%；當僅使用 PI 模式時（即省略中央導電極時），可在 52.4% 的房間體積中獲得超過 50% 的效率。imZ曹操讀書網

總的來說，這種全新的無線充電方法有以下幾個特點：imZ曹操讀書網

（1）通過利用多個共振模式（即磁場模式），可以覆蓋體積的顯著更大部分，而不是單獨使用任何一種模式；imZ曹操讀書網

（2）功率傳輸范圍依次形成 3D 體積，傳輸效率對 z 坐標的依賴性有限；imZ曹操讀書網

（3）共振模式的儲備允許省略中心極，這在以前的方法中是必不可少的，同時仍然覆蓋了房間的大部分。imZ曹操讀書網

研究人員還注意到，所提出的技術能夠在不干擾傳統生活方式的情況下無縫地實現無線充電，其中接收器方向和線圈尺寸會一定程度影響功率傳輸效率。imZ曹操讀書網

房間級無線供電，安全性如何？

看到這里，很多人就有疑問了，我們玩手機都怕被輻射，如果這項無線充電技術走向家用或在公共環境商用，到底安不安全？對人體有沒有巨大侵害？imZ曹操讀書網

在實驗中，研究人員當然也考慮到了這層因素，所以對暴露于電磁場充電范圍內人員的影響進行了測試評估。imZ曹操讀書網

作為安全措施參考，聯邦通信委員會（FCC）、電氣與電子工程師協會（IEEE）等都制定有關于電磁場暴露的指南，在使用的頻率范圍內，電磁場暴露引起的主要健康影響是溫度升高和電刺激。imZ曹操讀書網

因此，研究人員認為，相關標準基于生物組織吸收的功率（即比吸收率（SAR））和對內部電場施加基本限制，是與健康效應相關的物理量。imZ曹操讀書網

SAR 值取決于輸入功率和功率傳輸效率。例如，如果系統在非負載（即零效率）條件下驅動，則與高效率條件相比，即使輸入功率較低，暴露水平也會達到監管限制。這是因為功率傳輸效率的增加增加了傳送到接收器的功率的比例，因此，存儲在房間尺度諧振器中的無功能量的比例降低。imZ曹操讀書網

對于后續的安全性分析，研究人員們分析了當系統以 50% 的功率傳輸效率運行時，SAR 達到監管閾值時的輸入功率限制。imZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

圖｜基于 SAR 的安全性評價imZ曹操讀書網

出于安全起見，他們采用了一個 1.88m 全身解剖學模型，該模型沿房間中心和墻壁之間的線放置在 3 個位置，身體模型的每個位置考慮 2 個共振模式，總共測試了 6 種配置。imZ曹操讀書網

實驗發現，對于每個構型，局部 SAR 的閾值都比全身平均 SAR 的閾值更早達到，且由于這些結果基于 50% 的功率傳輸效率，因此輸送至負載的功率為輸入功率的一半。imZ曹操讀書網

實驗中，所有測試配置的輸入功率閾值均大于 100 W，此外，如果人員被適當安置或限制在特定區域，輸入功率可能會進一步增加。但整體來看，這項技術在合理參數范圍內是可控的。imZ曹操讀書網

還有一點優勢是，由于這項研究提出的方法是使用準靜態磁場，通過調整集總電容的值，可以靈活地確定房間尺寸和接收器尺寸，與工作波長無關。imZ曹操讀書網

另外，使用準靜態磁場的另一個好處是，日常家居物體的存在不會顯著影響系統的運行效果。imZ曹操讀書網

研究人員展望，鑒于系統尺寸的靈活性和對外部物體造成干擾的魯棒性，這項技術有望廣泛應用于各種場景，包括充電柜、無線充電室和工廠等。imZ曹操讀書網

目前唯一的限制是接收器線圈還需要與環境磁場垂直定向，以在每個點獲得最大效率，但研究人員表示，由于這種供電或充電技術技術覆蓋了整個房間的體積，未來可以通過很多外圍的技術克服這一挑戰。imZ曹操讀書網

參考資料：imZ曹操讀書網

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00636-3imZ曹操讀書網

更多精彩內容，關注鈦媒體微信號（ID：taimeiti），或者下載鈦媒體AppimZ曹操讀書網

imZ曹操讀書網

核心關鍵字： VR/AR 人工智能