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充电器不见了?这款手机无需充电

原文刊载于世界经济论坛,转载请标明来源并附上原文链接

对于新型的手机来说,只需要几微瓦即可维持运行。与此同时,人们也不再需要电池。取而代之的是一种全新的“充电”方式:无线电信号、光信号。

研究者们已经可以使用无电池手机进行Skype通话。这款商用手机由现成的元器件构成,虽然仍处于原型阶段,但已经能够接受、转换语音,与通讯基站进行信息交互。

“我们已经制成了首款功能性手机,几乎无需消耗任何能源。这种手机应该是首次出现。”华盛顿大学计算机科学与工程系助理教授Shyam Gollakota如是说道。他还是《计算机协会交互式、移动、可穿戴和普适技术汇刊》上一篇论文的共同作者。他还表示:“为了降低人们所需要从环境中获取的能量并维持手机运行,我们必需从根本上重新考虑这些设备应该如何设计。”

研究员们删减了了大多数现代蜂窝移动通信中的大功耗步骤(将传送声音的模拟信号转化为手机可以理解的数字数据)。然而,这一步骤会耗费很多能量。因此,设计一部依赖于环境能量源的手机几乎是不可能的。

相反,这款无电池手机利用了手机麦克风或者扬声器中的微小振动——振动在用户对着手机讲话、听电话时就会发生。一根天线连接着这些元件,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。这个过程实际上是将语音模式编码进反射的无线电信号中,这种方式的功耗几乎为零。

在传输语音时,手机利用来自麦克风的振动,将语音编码进反射信号中。而在接收语音时,它可以将编码的无线电信号转换成声音振动,并被手机的扬声器捕捉。在这款手机中,用户通过按键在“传输”和“收听”这两种模式之间切换。 团队使用印刷电路板上现成的元件,演示了该原型手机能够完成的基本手机功能,如传输语音和数据、接收用户按键输入等。 研究人员能够采用这部无需电池的手机, 使用Skype接听来电、拨出电话以及让呼叫者等候。

“如今,手机是我们生活中的必需品。所以,如果有一种设备,你想无需电池就可以使用,它就是手机。”华盛顿大学电气工程系的教授 Joshua Smith说道,“这种概念验证的方式无疑是振奋人心的,我们认为它将影响未来的日常设备。”

虽然研究团队为了这款手机专门定制了一座的基站,用于传输和接收无线电信号。但可以想象的是,在未来,这项技术能够集成进标准蜂窝移动网络的基础设施或者Wi-Fi路由器中,这些通信设施通常是为通话服务的。

论文的另一名共同作者、华盛顿大学电气工程专业博士研究生 Vamsi Talla 说道:“你可以想象,未来的所有手机发射塔或是Wi-Fi路由器,都会将我们的基站技术植入其中。并且,如果每个房屋中都有Wi-Fi路由器,那么人们就可以在任何地方使用这款无电池手机。”

目前,这款无电池手机仍然需要一小部分的能量来执行一些操作——大约3.5微瓦。

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华盛顿大学的研究人员展示了如何从两个不同的能量源获取这一小部分必需的能量。这款无电池手机的原型机可以从周围环境中31英尺之外的基站传输过来的无线电信号中获取能量,维持手机运行。另外,手机还可以利用太阳能电池(差不多是一粒米的大小)吸收来自环境光的能量,并能够与50英尺之外的基站进行通信。

此外,许多无需电池的技术,例如温度传感器、加速度计,也将会依赖于环境能量源,并通过间歇运行保存能量。在运行时,它们获取读数,然“睡眠”一两分钟,以获取足够的能量开展下一步的任务。然而,与此不同的是,手机通话则需要手机保持不间断的运行,从而保证通话不被中断。

论文共同作者、华盛顿大学的电气工程专业博士生 Bryce Kellogg认为:“在通话时,你不能先说一声‘你好’,然后等手机睡眠一分钟,等待它采集足够多的能量维持传输,再接着打电话。这就是我们所面临的最大挑战。从环境中的无线电信号或者光线中实际采集的能量,大约是1或者10毫瓦。所以,如果没有一整套关于传输和接收语音的新方法,保证手机实时运行会相当困难。”

下一步,研究团队计划致力于提高这款无电池的手机的工作范围,并实现加密通话,使之更加安全。团队还在研究通过无电池手机发送流视频,并采用低功耗的电子墨水(E-ink)屏幕,加入一些显示功能。

此项目由美国国家科学基金会以谷歌教授科研奖出资设立。

作者:Jennifer Langston,华盛顿大学科技专栏作家

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翻译:达沃斯博客翻译小组·彭永康

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