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    數據線要被干掉了?這項研究想讓人體變成電線

    發布日期:2021-07-19來源:熱點新聞瀏覽:39

    健康監測功能逐漸成為大家使用智能穿戴重要原因之一。但智能穿戴設備需要取下來鏈接充電線充電,這會影響監測健康數據的完整性。近日,美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員設計了一種無需取下智能穿戴設備就可以充電的新解決方案,名為ShaZam。

    ShaZam 其中的原理涉及體內能量傳輸(Intra-Body Power Transfer,IBPT)技術,利用人體作為傳輸電力的媒介,實現在用戶與日常物品交互時以無線方式為可穿戴設備充電。該研究論文題目為《ShaZam 一種通過人體體內能量傳輸技術,利用日常物品為智能穿戴設備充電方案(ShaZam:Charge-Free Wearable Devices via Intra-Body Power Transfer from Everyday Objects)》,于 6 月 24 日發表在國際計算機學會(ACM)會議錄上。

    體內能量傳輸ShaZam

    ▲保證人體安全情況下,讓電能流入流出

    雖然在 20 世紀 90 年代 IBPT 的概念就被引入,但是可行性評估及現實應用等方面的探索還不是很多。與 IBPT 相關的主要技術挑戰是,在電流正向流入人體和反向流出人體的過程保證人體的安全。

    受體內通信(IBC)領域的啟發(IBC是一種把人體當作電纜,利用通信裝置進行雙向數據通信的技術),利用人體充電有兩種潛在的解決方案,一是以人體為前向路徑,利用準靜態近場電容耦合建立信號返回路徑的電容耦合方法,二是視人體為有耗導電介質的電容耦合方法。

    在電容耦合方法中,功率發射器和接收器都將具有一個電極(稱為皮膚電極)與人體建立電容耦合和一個浮動的金屬板(稱為接地電極)在空氣中建立另一個與環境的電容耦合(包括兩個接地電極之間的寄生耦合)。

    在這種配置中,人體周圍的時變電場可以近似為一個均勻的相場,它會誘導電流流過人體組織,從而傳遞能量。

    利用人體導電的示意圖

    ▲利用人體導電的示意圖

    美國馬薩諸塞大學研究人員的ShaZam智能穿戴設備充電解決方案,就采用這種電容耦合機制,其中正向電路構建方式是通過干燥的銅材質電極讓射頻信號進入身體組織,返回電路則通過一對漂浮在空氣中的銅制金屬電極與周圍環境之間的固有自然電容建立。

    研究人員實驗了在人與三種不同設備(臺式機外接鍵盤、筆記本上的鍵盤和汽車方向盤)接觸時,這些設備通過人體導電,將電力傳輸給腕戴式智能設備。

    測試充電設備

    ▲研究人員采用 3 種日常設備進行實驗

    研究人員設計的這種充電方案目前可以支持 Fitbit Flex 和小米手環等超低功耗健康追蹤器,但還無法支持為像 Apple Watch 這種功耗高的可穿戴設備充電。

    ShaZam指標、設備區別于其他無線充電

    其實無線充電已經不算一項新技術了,各大手機及智能穿戴廠商都大秀其無線充電技術,像今年小米、OPPO 發布了它們自己研發的無線充電技術。

    無線充電是指利用磁感應、磁共振以及電容耦合等機理實現電源到負荷的近場電力傳輸技術。

    無線電力傳輸方法大致分為兩類:一類是使用可以接收和發射無線電的天線,對進行能量傳輸的射頻無線充電,另一類是使用儀器化的基礎設施,可創建允許成對設備建立耦合的電場或磁場的電磁耦合無線充電(具體有電磁感應無線充電和電磁諧振無線充電兩種略有區別的充電方式)。

    射頻無線充電設備要么使用專用發射器 / 接收器進行周期性電能傳輸,要么從環境波源(如電視或廣播電臺)中收集電能。

    像小米的隔空充電就是,隔空充電樁會有對設備進行空間定位用的相位干涉天線,探測設備位置,以及相位控制天線陣列,通過波束成形將毫米波定向發射給設備。設備端裝有信標天線,在空間場內廣播設備位置信息,和接收天線陣列將充電樁發射的毫米波信號,通過整流電路轉化為電能。

    電磁耦合無線充電技術研究,更多研究是關注電容和電感傳輸模式,它們在大房間內產生電場或磁場,允許設備通過場耦合獲得功率。雖然比基于天線的充電系統更節能,但是需要對基礎設施進行大量改造,以確保電場或磁場可以無處不在地覆蓋所需的區域。

    現在很多智能手表大多用這種電磁耦合無線充電方法,這些設備會通過磁場的無線磁路代替有線電線,實現電力的傳輸。充電時,充電器和被充電設備都得有線圈,而且兩者的線圈必須對齊,并在極近的距離下(觸碰)才能正常工作。

    智能手表無線充電

    需要對齊線圈、距離限制、充電設備數量限制這三項限制了電磁感應無線充電的發展。例如,華為的 HUAWEI WATCH 3 說明書中介紹,要確保 2 個方面操作正確才能順利安全的充電,一是需 " 將手表放置在充電底座上,使手表背面貼合充電底座,調整貼合度直到手表屏幕出現充電指示 ",二是 " 在無線充電時,請使用專用底座并確保線圈正對 "。

    智能手表充電

    電磁諧振無線充電技術對位置和距離要求更低,有助于解決充電位置和充電數量等問題。像 OPPO 今年發布的隔空充電技術,就是采用電磁諧振傳遞能量,即使發射端與接收端的線圈位置沒有完全吻合,也可以保持充電。

    ShaZam 智能穿戴設備充電解決方案結合了射頻無線充電、電磁感應和電磁諧振無線充電一樣都是利用了電磁原理進行充電,差異點在于它們使用的電介質不同。電介質可以分為自由空間、人造基礎設施和人體組織等等。而通過人體組織需要更注重其安全性。

    ShaZam 方案使用的電介質不同,其各設備和指標的設計與常見的無線充電方法上有較大區別。

    ShaZam 方案包含的 IBPT 的工作原理嚴格限制人體組織直接耦合發射器和接收器的發射功率,從而最大限度地減小發射器的尺寸和對人體介質的損耗。

    無線充電需考慮對其他設備的影響

    近場無線充電使用安全性方面是需要重點考慮。特別是在高頻(HF)范圍內,入射時變電磁場(EMF)波會通過人體組織產生位移電流(即空間中電場的時間變化),這可能導致組織的熱損傷,因此需要對選定的工作頻率進行限制。

    射頻無線充電暴露的另一個問題是,對主動 / 被動醫療植入物的電磁干擾以及對同樣用到射頻的設備會有影響。

    工信部在今年 2 月發布的《無線充電 ( 電力傳輸 ) 設備無線電管理暫行規定(征求意見稿)》中就有相關內容規定,提到為了保護射電天文業務、保證船舶、航空器專用無線電頻率的使用安全,禁止在射電天文臺址的保護距離內和船舶、航空器內使用無線充電設備。

    如何解決或者減少這些影響,同樣是智能穿戴無線充電需要考慮的事情。

    結論:用戶需求帶動設計變化

    從技術層面,通過人體為智能穿戴設備充電已經成為現實,但是安全性測試還比較簡單,參與實驗的志愿者數量不多,有些數據還不具有代表性。但是為利用人體做電介質充電的下一階段進展已經夯實了基礎。

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