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[导读]最近迷上了一款小学生玩的游戏——王者农药,昨晚跟小伙伴们正开黑,眼看就五杀了,突然弹出我电量不足,错过了杀人的时机,曾经,五杀离我那么近,又那么远~~啊~五杀,你比四杀多一杀。。。 此刻无比需要

最近迷上了一款小学生玩的游戏——王者农药,昨晚跟小伙伴们正开黑,眼看就五杀了,突然弹出我电量不足,错过了杀人的时机,曾经,五杀离我那么近,又那么远~~啊~五杀,你比四杀多一杀。。。

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此刻无比需要一个不用充电的手机,来个大招回血,电量瞬间满格。

随着智能手机与我们生活嵌合得越来越紧密,电池续航也成了人们的痛点。于是手机厂商打出了「充电 5 分钟,通话 2 小时」的口号,苹果和三星也在无线充电上加快自己的步伐,甚至还衍生出让王思聪「立帖吃翔」的共享充电宝。

无限续航手机诞生

如果手机不再需要充电,上述问题将不复存在。而这样「疯狂」的事正在成为现实,据 UW News 报道,美国华盛顿大学的研究人员最近发明了一款不需要充电的无电池手机,能从无线信号和环境光线中获取能量,从而实现续航一辈子的梦想。

目前这种无需电池的手机已经有原型机,原理也很简单就是没有复杂的芯片,没有复杂的功能,也无需屏幕,保留最基础的打接电话功能,所以把自身的功耗降低到最低点,仅需几毫瓦电量就能正常使用。而这些电量来源于环境光或者周围的无线信号,比如wifi、电信无线网络、收音机无线信号等等,通过独特的转换器,把光和无线信号转换成电能,从而实现通话。

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永动机的神话真的存在?

没有电池,无需充电,还要维持手机的正常运行,这看似「永动机」般的天荒夜谈,背后的原理总结起来其实无非就是开源节流。

首先是节流

华盛顿大学计算机科学家与电气工程师团队消除了一个在蜂窝传输过程中极为耗电的步骤,即将声音模拟信号转化收手机可理解的数字数据,在这个过程中需要消耗大量能量。据研究人员介绍,为了解决这个问题,他们不得不重构手机这部分的设计。

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具体的解决方案就是利用手机通话时麦克风或扬声器产生的微小振动,由于这些组件连接着天线,研究人员就将这种振动转化为由蜂窝基站发出的标准无线电信号的变化,这个过程是将语音模式编码反射到无线电信中,基本不消耗任何功率。

基于现有的组件,他们的手机装置可以利用从射频获得的能量拨打电话给9.4米处的定制基站。同时,团队还打造了配有光电二极管的装置,利用光电效应转化环境光给手机供能,将有效工作距离提高到了 15.2 米。

华盛顿大学的研究团队已经在一个印刷电路板组成的原型设备上验证了这个设计的可行性。在这部原型机中,这部机器可以实现基本的通话功能、数据传输以及按键输入信息。

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在测试视频中可以看到研究人员使用 Skype 接打电话和实现呼叫等候。而实际演示中,该团队在演示中展示了这款设备的原型机,通过原型机进行了Skype通话实验,可以实现基本的通话功能、数据传输以及按键输入信息。并且还能接收到基站信号,已经具备了手机的基础功能。

从图片中看来,觉得这个手机很简单,其实并不然,实际上这个原型机是科研人员花费了巨大努力的研究成果,首先需要把功耗控制到最低,所以设计人员完全重构了手机,把最费电的部分全部推倒重新设计,所以最终的原型机已经能达到几毫瓦的超低功耗。

这部手机的一部分设计灵感来源于俄罗斯政府在1940年代后期送给美国驻莫斯科大使馆的美国大纹章雕像,里面安装有一个用无线电波运行无源监视的装置。

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这款手机是半双工的(half-duplex:数据可以在一个信号载体的两个方向上传输,但是不能同时双向传输),这也意味着用户可以听或说话,但不能同时实现。其中还设置有一个微控制器控制着射频开关,当用户按下开关说话的时候,射频开关就将话筒连到天线上;当要听的时候,射频开关就与耳机相连。因此用户必须按住一个特定按钮来呼叫或通话,比起手机这更像是一部对讲机。

虽然这部手机号称「功耗几乎为零」,但研究人员展示的原型机功率预算还是有 3.5 微瓦,这对于没有电池的手机来说也是一个大问题。

所以要开源

由于功率的限制,目前许多无源传感器传输信息具有间歇性的特点,比如每隔一分钟左右才传输一次信息。又或者,在RFID(无线射频识别)标签的下,一些无源传感器必须非常接近读取器,以便有足够的功率传输消息。基于功耗的问题,这时候就要开源了,而开源的关键就是能量采集。

由于能量采集技术采集到的能量非常微小,很难直接应用,必须积少成多地把它们收集并管理起来,这也涉及到能量存储及减小漏电流的问题,需要有能连续存储并极低漏电流的存储器件,只有漏电流远远小于收集的能量,这些采集来的能量才有可能会被用到;一旦这些采集到的能量集中管理起来后,可以被用来驱动一些短暂或脉冲型的负载;对于那些连续工作的负载就牵扯到另一个问题,低功耗和超低功耗器件,只有这些超低功耗的器件的工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡,微能量采集才能真正被广泛应用。

与此同时,想要将能量收集起来进行利用,还需要关键是要解决两方面的问题:一是芯片自身低功耗,二是思考怎么样提高转换效率。大幅提高转换效率很多物理定律及相关材料问题,不是一个很容易解决的问题,大幅度降低芯片自身的功耗及管理好采集到的能量则相对比较容易实现。 比较现实的实现是通过电源管理芯片来实现的。

因此,在进行能量采集系统设计时另外需要考虑的是不要只采用一种能量采集技术,而要在允许的条件下尽可能采用多种能量采集技术,以保证任何条件下都能正常工作。目前比较成熟的能量采集方案包括了利用太阳能取电及利用电流互感器饱和特性的取电两种能量收集。而在能量采集技术和市场未来发展的趋势上,太阳能的能量采集将会较快地被应用到产品中,因为这一技术可以在任何有光的场合进行利用,而且该技术目前已经比较成熟,接受度高。

研究人员为这部无电池手机寻找了两个能量源。一个是从距离手机 31 英尺(约 9.45 米)远的基站传输过来的无线电信号中获取能量。另一种则是利用手机中一粒米大小的太阳能电池来发电,这能让手机与 50 英尺(15.24米)外的基站进行通讯。实际上通过无线电或者太阳能获取的能量也十分有限,大约在 1-10 微瓦左右。这就让一些部件不能持续运行,比如只能读取一部分信息后休眠几分钟后再继续运行。而如果这发生通话过程中无疑是一场噩梦,更别提你想要打游戏了,根本无法供应!

无电池手机道路的大跨步

在早些时候发表的一篇会议论文中,现任Jeeva Wireless的首席技术官Talla同他的同事认为,他们的这项设计是朝实现无电池手机道路上的一个大跨步。他们希望最终能打造出可以远距离持续发送或接收数据、语音的无电池设备。正如Talla说的,我们向世界展示的无电池设备不应该只是个传感器,它可以是一整个实时性系统,你可以用它切实的做一些有用的事情。

Vamsi Talla在华盛顿大学做电子工程博士后的时候发明了这款手机装置,正如他所说:“你可以想象这样的场景,当你的手机电池没电的时候,你至少还有足够功率拨打911紧急电话。这个装置将会是你的救命稻草。”

卡内基梅隆大学电气工程系教授Raj Rajkumar认为,这项研究在是无线电传输研究过程中具有新意的一步。同时他也指出,下一步的研究或许需要评估用射频这一方式向移动设备传输功率的安全性。

路漫漫其修远兮

现在,该设备只支持用户在定制基站的近距离内使用。Talla补充道,对于那些需要拨打紧急电话的用户,基站不可能总是在他们的附近,不过随着5G网络的推出,预计供应商将大幅的增加基站密度,最起码在城市范围内这一情况将有所改观。同时,由于在最初的测试中,基站向设备发射的是只是915兆赫单一频段的电波,Talla期待可以在其他频段上实现更远的接收距离。

无电池手机作为一款功能机而言也还是残缺的,可见这项技术距离商用应该还有一段不短的距离。该研究团队也计划开发一套新的语音传输和接收的方案,以保证手机能正常运作。同时该团队研发的基站技术未来也有望集成在标准蜂窝网络基础设施和 WiFi 路由器中。

从目前的进度来看,要把这个无电池手机量产还需要一定的时间。另外,这款手机重要的作用还是接打电话,即使量产也是低功耗设计,想要各种附加功能,恐怕难度还是很大的,所以既想无电池续航又想有各种附加功能的朋友们还是不要等这款手机了。

结语:

在无线充电都尚未普及的今天,谈论所谓无电池手机似乎为时过早。不过这项技术的萌芽也让我们可以对未来的手机产生新的幻想,当我们有一天拿着自己的手机而不用再因为右上角的数字焦虑,确实是一件挺美好的事情。

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那么当手机电量剩余多少时你会「焦虑」呢?

换一批

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