墙壁和柱子供电，任意角落50W传输功率，东京大学建了个无线充电屋

房间任何角落实现无线充电，你期待吗？

无线充电有希望将电子设备从电池和电缆中解放出来，但商用系统往往受限于充电站。近日，东京大学和密歇根大学的一项研究为无线充电带来了新的转机——他们研发出了一种可以在房间各处实现无线安全充电的方法。不禁要问：这会是无线充电的终极形态吗？

当前，无线电力传输系统用以辅助智能手机和电动牙刷等小型电子设备的充电。然而，大多数依赖磁场的商用系统需要电子设备固定不动，并放在充电垫或充电座上或者靠近它们。

就效果而言，使用微波或其他电磁辐射的无线电力传输策略能够在较远的距离上实现高效充电。但是，基于微波的无线充电可能会对生物组织构成安全隐患，并且需要大量天线和复杂机制才能跟踪到设备。

东京大学工程研究生院特任助教 Takuya Sasatani 和教授 Yoshihiro Kawahara、密歇根大学电子工程与计算机科学系副教授 Alanson P. Sample 等研究者研发出了一种安全地将房间变成无线充电站的方法。他们表示，这种方法既可以缩小规模来创建小型充电柜，也能够扩大规模将整个工厂车间或建筑群转变成无线充电区域。

这项研究发表在了《自然 · 电子学》杂志上。

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

对于这种无线充电方法的前景，Takuya Sasatani 表示：「未来，这种方法还可以为植入式医疗设备供电。目前，这类设备在电源供应方面面临重大挑战。」

Takuya Sasatani

房间各处皆可无线充电

研究者将这项新技术称为「多模态准静态空腔谐振」（multimode quasistatic cavity resonance, M-QSCR），它利用嵌入整个房间墙壁的导电层和房间中央的导电柱子来生成 3D 磁场，后者能够与附着于电子设备的小型线圈接收器进行高效交互。

下图 1 为 M-QSCR 技术的概览图，其中 a 为线路电流，包括发送器和接收器；b 为表面电流；c 为多模态；d 为基于 M-QSCR 的无线电力传输系统。

下图 2a 为赋能以上电流的房间级（room-scale）共振器，图 2b 为构建的无线电力传输系统实景。

研究者在 3m×3m×2m 的特意搭建的铝合金测试房间中进行了实验，结果表明：无论人在哪里或家具放在哪里，研究者都可以在房间各处为智能手机、灯泡和风扇等电子设备无线充电。

下图 5 为生活环境中房间级无线电力传输展示。其中 a 为房间概览，b 为无线充电的灯泡，c 为无线充电的智能手机，d 为无线充电的可移式风扇。

Sasatani 表示：「该技术可以在任何大体积的地方实现数十瓦的电力传输，这是其他方法无法安全实现的。并且，相较于由线圈组成的无线充电板，我们的方法使得设备在位置上具有更大的自由度。」

目前，接收器需要与磁场保持合适的角度才可以达到最大充电效率，但房间各处以及移动中设备的电力传输效率仍然可以超过 37%。

面临哪些挑战？

该方法能够运行的一个关键点在于限制「可能危害生物组织的有害电场」。研究者在墙身空腔中放置了一种电容器，从而使得这种结构可以生成在房间中共振的磁场，同时捕获到了电容器内部的电场。

另一个挑战是生成能够抵达房间任何角落的磁场。这是因为磁场通常以圆形方式运动，从而在空房间中形成哑点（dead spot）。

为了解决这一问题，研究者生成了多个 3D 磁场，其中一个环绕房间中央的导电柱运动，另一些在房间角落盘绕并在邻近墙壁间运动，成功消除了盲区。

此外，假人安全测试表明：这种新的无线电力传输系统可以向房间任何角落提供至少 50 瓦的电能，并且不会超出 FCC 和 IEEE 电磁场暴露限值。研究者表示，通过进一步的调整，他们可以实现更高的电力传输。

下图为基于特定吸收率（specific absorption rate, SAR）的安全评估，a 为 SAR 评估中使用的人体模型的侧视图以及该模型在房间级发送器共振器内部的位置，b 为人体模型位置变动时 PI（pole-independent）模态和 PD（pole-dependent）模态的输入功率限制，c 为当输入功率达到暴露极限时的 SAR 分布。

未来还能做哪些改进？

Sasatani 也表示，「我们的方法存在一个明显的缺点——必须改变整个环境才能使系统工作。」并且，安全评估仍然比较原始，因此他们肯定需要对这一课题展开深入的调研。

就这项研究的意义而言，既有助于推动 IoT 应用，也可以为家庭、仓库或其他地点的移动机器人辅助充电。

Sasatani 解释道，「目前，由于维护电池的成本问题，很难在任何地方都部署小型计算机。我们的这项技术可以省略手动充电步骤，从而成为为智能设备配电的驱动力。」

就这项技术的使用场景而言，最容易在新建建筑物中实施，但改造现有建筑结构以适配这种充电方式也可能实现。研究者表示，他们正计划探索使用标准施工方法来构建这些系统，并且如果未来能够开发出优良的导电涂料，则他们也可以通过在墙壁上涂抹导电材料的方式来构建系统。

参考链接：https://spectrum.ieee.org/charging-rooms-can-power-devices-without-wires

产业Nature无线充电