未来科技芯片手机（美科学家研发出全球首款无需电池的超低功耗手机）

导读

电池是影响现代电子产品性能和用户体验的关键因素之一。然而最近美国华盛顿大学的研究人员摆脱了电池，发明了全球首款无需电池的手机，它能够从环境的无线电信号或者光线中，获取几微瓦的能量，进行正常通话。

关键字

自供电、手机、电池

背景

电池，是影响现代电子产品性能和用户体验的关键因素之一。电池的续航时间短、需要反复充电，完全性问题等都饱受用户诟病。理想的情况是，未来的电子产品将不再需要充电线、充电宝，也无需担心电池没电。

虽然目前来说这个目标离我们还有些遥远，但是摆脱电池已成为科学界和产业界努力的方向之一，各种自供电的能量采集方案纷纷涌现。

笔者曾在《新型柔性纳米发电机：有望让麦克风和扬声器合二为一！》、《摆脱电池！？柔性纳米设备利用人体运动发电》这两篇文章中介绍过利用人体运动获取能量的方法；《新型柔性可穿戴热电发电机：效率更高、性能更好！》、《用烹饪锅的热量给手机充电？新温差电材料用途多多！》这两篇文章介绍过温差发电的方法；《WISP芯片: 无需电池供电，从无线电波中获取能量》这篇文章介绍过从无线电波中获取能量的方法；《液晶弹性体机器人毛虫：从光线中吸收能量》这篇文章介绍过从光线中获取能量的方法。

（图片来源：Mark Stone/华盛顿大学）

这项新技术的相关论文发表于7月1日的《计算机协会交互式、移动、可穿戴和普适技术汇刊》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies） 。

技术

首先，如果要依靠从环境中获取的能量维持手机运行，技术上会面临什么问题呢？对此，文章的合著者、华盛顿大学 Paul G. Allen 计算机科学与工程学院的副教授 Shyam Gollakota 称：

“我们相信我们已经设计出首个功能手机，它的功耗几乎为零。为了达到真正的低功耗，让你可以从环境中获取能量运行一部手机，我们必需从根本上重新考虑这些器件如何设计。”

• 降低功耗

华盛顿大学计算机科学家和电气工程师组成的团队，消除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）。这个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，这款无需电池的手机利用了手机麦克风或者扬声器中的微小振动。这种振动在用户对着手机讲话时，或者听电话时就会发生。天线连接着这些器件，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。这个过程基本上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。

为了传输语音，手机利用来自麦克风的振动，将语音模式编码进反射信号中。为了接收语音，它将编码的无线电信号转换成声音振动，这种振动会被手机的扬声器捕捉到。在原型手机中，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，演示了该原型能够完成的基本手机功能，例如传输语音和数据，以及接收用户按键输入。研究人员能够采用这部无需电池的手机，使用Skype接听到来电、拨出电话以及让呼叫者等候。

（图片来源：华盛顿大学）

• 获取能量

这种无需电池的手机仍然需要一小部分的能量来执行一些操作。这个原型的功率预算是3.5微瓦。

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小部分的能量。这种无需电池的手机原型，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，能够与50英尺之外的基站进行通信。

许多其他的无需电池的技术例如温度传感器或者加速度计，也会依赖于环境能量源，通过间歇运行保存能量。它们获取一下读数，然后“睡眠”一两分钟，以获取足够的能量开展下一步的任务。相对而言，只要双方还在继续通话，手机就需要保持运行以保证通话不被中断。

论文合著者、华盛顿大学的电气工程专业博士生 Bryce Kellogg 说：

“你不能说一声‘你好’，然后等手机睡眠一分钟，采集足够多的能量维持传输。这就是最大的挑战。你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，如果没有开发一整套新方案传输和接收语音，保证手机实时运行会相当困难。”

价值

（图片来源：Mark Stone/华盛顿大学）

这款手机的诞生是一次重大的飞跃，代表着未来的手机将有望摆脱充电器和充电线，用户再也不用担心电池没电的尴尬情况发生。华盛顿大学电气工程系的教授 Joshua Smith 说：

“手机是我们如今经常用的设备。所以如果有一个设备，你想无需电池就可以使用，它就是手机。今天我们开发的这种概念验证方案是振奋人心的，并且我们认为它将影响未来的日常设备。”

虽然团队设计了一种客制化的基站，用于传输和接收无线电信号。然而可以想象，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打电话服务的。论文合著者、华盛顿大学电气工程专业博士研究生 Vamsi Talla 说：

“你可以想象，未来所有的手机发射塔或者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，你将可以让这个无需电池的手机覆盖任何地方。”

未来

（图片来源：Mark Stone/华盛顿大学）

下一步，研究团队计划致力于提高这种无需电池的手机的工作范围，以及加密通话使之更加安全。团队已经在研究通过无需电池的手机发送流视频，以及采用低功耗的E-ink屏幕，添加显示功能。

参考资料

【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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