牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

机器之心發表於2021-09-30

房間任何角落實現無線充電，你期待嗎？

無線充電有希望將電子裝置從電池和電纜中解放出來，但商用系統往往受限於充電站。近日，東京大學和密歇根大學的一項研究為無線充電帶來了新的轉機——他們研發出了一種可以在房間各處實現無線安全充電的方法。不禁要問：這會是無線充電的終極形態嗎？

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

當前，無線電力傳輸系統用以輔助智慧手機和電動牙刷等小型電子裝置的充電。然而，大多數依賴磁場的商用系統需要電子裝置固定不動，並放在充電墊或充電座上或者靠近它們。

就效果而言，使用微波或其他電磁輻射的無線電力傳輸策略能夠在較遠的距離上實現高效充電。但是，基於微波的無線充電可能會對生物組織構成安全隱患，並且需要大量天線和複雜機制才能跟蹤到裝置。

東京大學工程研究生院特任助教 Takuya Sasatani 和教授 Yoshihiro Kawahara、密歇根大學電子工程與電腦科學系副教授 Alanson P. Sample 等研究者研發出了一種安全地將房間變成無線充電站的方法。他們表示，這種方法既可以縮小規模來建立小型充電櫃，也能夠擴大規模將整個工廠車間或建築群轉變成無線充電區域。

這項研究發表在了《自然 · 電子學》雜誌上。

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00636-3

對於這種無線充電方法的前景，Takuya Sasatani 表示：「未來，這種方法還可以為植入式醫療裝置供電。目前，這類裝置在電源供應方面面臨重大挑戰。」

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

Takuya Sasatani

房間各處皆可無線充電

研究者將這項新技術稱為「多模態準靜態空腔諧振」（multimode quasistatic cavity resonance, M-QSCR），它利用嵌入整個房間牆壁的導電層和房間中央的導電柱子來生成 3D 磁場，後者能夠與附著於電子裝置的小型線圈接收器進行高效互動。

下圖 1 為 M-QSCR 技術的概覽圖，其中 a 為線路電流，包括髮送器和接收器；b 為表面電流；c 為多模態；d 為基於 M-QSCR 的無線電力傳輸系統。

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

下圖 2a 為賦能以上電流的房間級（room-scale）共振器，圖 2b 為構建的無線電力傳輸系統實景。

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

研究者在 3m×3m×2m 的特意搭建的鋁合金測試房間中進行了實驗，結果表明：無論人在哪裡或傢俱放在哪裡，研究者都可以在房間各處為智慧手機、燈泡和風扇等電子裝置無線充電。

下圖 5 為生活環境中房間級無線電力傳輸展示。其中 a 為房間概覽，b 為無線充電的燈泡，c 為無線充電的智慧手機，d 為無線充電的可移式風扇。

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

Sasatani 表示：「該技術可以在任何大體積的地方實現數十瓦的電力傳輸，這是其他方法無法安全實現的。並且，相較於由線圈組成的無線充電板，我們的方法使得裝置在位置上具有更大的自由度。」

目前，接收器需要與磁場保持合適的角度才可以達到最大充電效率，但房間各處以及移動中裝置的電力傳輸效率仍然可以超過 37%。

面臨哪些挑戰？

該方法能夠執行的一個關鍵點在於限制「可能危害生物組織的有害電場」。研究者在牆身空腔中放置了一種電容器，從而使得這種結構可以生成在房間中共振的磁場，同時捕獲到了電容器內部的電場。

另一個挑戰是生成能夠抵達房間任何角落的磁場。這是因為磁場通常以圓形方式運動，從而在空房間中形成啞點（dead spot）。

為了解決這一問題，研究者生成了多個 3D 磁場，其中一個環繞房間中央的導電柱運動，另一些在房間角落盤繞並在鄰近牆壁間運動，成功消除了盲區。

此外，假人安全測試表明：這種新的無線電力傳輸系統可以向房間任何角落提供至少 50 瓦的電能，並且不會超出 FCC 和 IEEE 電磁場暴露限值。研究者表示，透過進一步的調整，他們可以實現更高的電力傳輸。

下圖為基於特定吸收率（specific absorption rate, SAR）的安全評估，a 為 SAR 評估中使用的人體模型的側檢視以及該模型在房間級傳送器共振器內部的位置，b 為人體模型位置變動時 PI（pole-independent）模態和 PD（pole-dependent）模態的輸入功率限制，c 為當輸入功率達到暴露極限時的 SAR 分佈。

牆壁和柱子供電，任意角落50W傳輸功率，東京大學建了個無線充電屋

未來還能做哪些改進？

Sasatani 也表示，「我們的方法存在一個明顯的缺點——必須改變整個環境才能使系統工作。」並且，安全評估仍然比較原始，因此他們肯定需要對這一課題展開深入的調研。

就這項研究的意義而言，既有助於推動 IoT 應用，也可以為家庭、倉庫或其他地點的移動機器人輔助充電。

Sasatani 解釋道，「目前，由於維護電池的成本問題，很難在任何地方都部署小型計算機。我們的這項技術可以省略手動充電步驟，從而成為為智慧裝置配電的驅動力。」

就這項技術的使用場景而言，最容易在新建建築物中實施，但改造現有建築結構以適配這種充電方式也可能實現。研究者表示，他們正計劃探索使用標準施工方法來構建這些系統，並且如果未來能夠開發出優良的導電塗料，則他們也可以透過在牆壁上塗抹導電材料的方式來構建系統。

參考連結：https://spectrum.ieee.org/charging-rooms-can-power-devices-without-wires

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