全球首款無需電池的手機：從周圍環境中獲取能量！

導讀

電池是影響現代電子產品性能和用戶體驗的關鍵因素之一。然而最近美國華盛頓大學的研究人員擺脫了電池，發明了全球首款無需電池的手機，它能夠從環境的無線電信號或者光線中，獲取幾微瓦的能量，進行正常通話。

關鍵字

自供電、手機、電池

背景

電池，是影響現代電子產品性能和用戶體驗的關鍵因素之一。電池的續航時間短、需要反覆充電，完全性問題等都飽受用戶詬病。理想的情況是，未來的電子產品將不再需要充電線、充電寶，也無需擔心電池沒電。

雖然目前來說這個目標離我們還有些遙遠，但是擺脫電池已成為科學界和產業界努力的方向之一，各種自供電的能量採集方案紛紛湧現。

筆者曾在《新型柔性納米發電機：有望讓麥克風和揚聲器合二為一！》、《擺脫電池！？柔性納米設備利用人體運動發電》這兩篇文章中介紹過利用人體運動獲取能量的方法；《新型柔性可穿戴熱電發電機：效率更高、性能更好！》、《用烹飪鍋的熱量給手機充電？新溫差電材料用途多多！》這兩篇文章介紹過溫差發電的方法；《WISP晶元: 無需電池供電，從無線電波中獲取能量》這篇文章介紹過從無線電波中獲取能量的方法；《液晶彈性體機器人毛蟲：從光線中吸收能量》這篇文章介紹過從光線中獲取能量的方法。

創新

今天，我們同樣是要介紹一款擺脫電池的電子產品。這款產品就是由美國華盛頓大學的研究人員發明的全球首款無需電池的手機。這款手機能夠從環境的無線電信號或者光線中，獲取幾微瓦的能量。研究團隊採用這款無需電池的手機，成功地演示了打電話的功能。這款原型由商用的、現成的元器件構成，它能夠接收和傳輸語音以及與基站通信。

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

這項新技術的相關論文發表於7月1日的《計算機協會互動式、移動、可穿戴和普適技術彙刊》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies） 。

技術

首先，如果要依靠從環境中獲取的能量維持手機運行，技術上會面臨什麼問題呢？對此，文章的合著者、華盛頓大學 Paul G. Allen 計算機科學與工程學院的副教授 Shyam Gollakota 稱：

「我們相信我們已經設計出首個功能手機，它的功耗幾乎為零。為了達到真正的低功耗，讓你可以從環境中獲取能量運行一部手機，我們必需從根本上重新考慮這些器件如何設計。」

• 降低功耗

華盛頓大學計算機科學家和電氣工程師組成的團隊，消除了大多數現代蜂窩移動通信中的大功耗步驟（將傳送聲音的模擬信號轉化為手機可以理解的數字數據）。這個步驟會耗費很多能量，因此設計一部依賴於環境能量源的手機幾乎是不可能的。

相反，這款無需電池的手機利用了手機麥克風或者揚聲器中的微小振動。這種振動在用戶對著手機講話時，或者聽電話時就會發生。天線連接著這些器件，將這種振動轉化為由蜂窩基站發出的標準無線電信號的變化。這個過程基本上將語音模式編碼進反射的無線電信號中，這種方式的功耗幾乎為零。

為了傳輸語音，手機利用來自麥克風的振動，將語音模式編碼進反射信號中。為了接收語音，它將編碼的無線電信號轉換成聲音振動，這種振動會被手機的揚聲器捕捉到。在原型手機中，用戶通過按鍵在「傳輸」和「收聽」這兩種模式之間切換。

團隊使用印刷電路板上現成的元件，演示了該原型能夠完成的基本手機功能，例如傳輸語音和數據，以及接收用戶按鍵輸入。研究人員能夠採用這部無需電池的手機，使用Skype接聽到來電、撥出電話以及讓呼叫者等候。

（圖片來源：華盛頓大學）

• 獲取能量

這種無需電池的手機仍然需要一小部分的能量來執行一些操作。這個原型的功率預算是3.5微瓦。

華盛頓大學的研究人員展示了如何從兩個不同的能量源獲取這小部分的能量。這種無需電池的手機原型，可以從周圍環境中31英尺之外的基站傳輸過來的無線電信號中獲取能量，維持手機運行。另外，手機利用太陽能電池（差不多是一粒米的大小）吸收來自環境光的能量，能夠與50英尺之外的基站進行通信。

許多其他的無需電池的技術例如溫度感測器或者加速度計，也會依賴於環境能量源，通過間歇運行保存能量。它們獲取一下讀數，然後「睡眠」一兩分鐘，以獲取足夠的能量開展下一步的任務。相對而言，只要雙方還在繼續通話，手機就需要保持運行以保證通話不被中斷。

論文合著者、華盛頓大學的電氣工程專業博士生 Bryce Kellogg 說：

「你不能說一聲『你好』，然後等手機睡眠一分鐘，採集足夠多的能量維持傳輸。這就是最大的挑戰。你從環境中的無線電信號或者光線中實際採集的能量，大約是1或者10毫瓦。所以，如果沒有開發一整套新方案傳輸和接收語音，保證手機實時運行會相當困難。」

價值

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

這款手機的誕生是一次重大的飛躍，代表著未來的手機將有望擺脫充電器和充電線，用戶再也不用擔心電池沒電的尷尬情況發生。華盛頓大學電氣工程系的教授 Joshua Smith 說：

「手機是我們如今經常用的設備。所以如果有一個設備，你想無需電池就可以使用，它就是手機。今天我們開發的這種概念驗證方案是振奮人心的，並且我們認為它將影響未來的日常設備。」

雖然團隊設計了一種客制化的基站，用於傳輸和接收無線電信號。然而可以想像，未來這項技術能夠集成進標準蜂窩移動網路的基礎設施或者Wi-Fi路由器中，這些通信設施通常是為打電話服務的。論文合著者、華盛頓大學電氣工程專業博士研究生 Vamsi Talla 說：

「你可以想像，未來所有的手機發射塔或者Wi-Fi路由器，都會將我們的基站技術植入其中。並且如果每個房屋中都有Wi-Fi路由器，你將可以讓這個無需電池的手機覆蓋任何地方。」

未來

（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）

下一步，研究團隊計劃致力於提高這種無需電池的手機的工作範圍，以及加密通話使之更加安全。團隊已經在研究通過無需電池的手機發送流視頻，以及採用低功耗的E-ink屏幕，添加顯示功能。

參考資料

【1】https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-07/uow-fbc070517.php

【2】Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Shyamnath Gollakota, Joshua R. Smith. Battery-Free Cellphone. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2017; 1 (2): 1 DOI: 10.1145/3090090

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