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數(shù)據(jù)線要被干掉了?這項(xiàng)研究想讓人體變成電線

發(fā)布日期:2021-07-19來源:熱點(diǎn)新聞瀏覽:482

健康監(jiān)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(shè)備需要取下來鏈接充電線充電,這會(huì)影響監(jiān)測健康數(shù)據(jù)的完整性。近日,美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員設(shè)計(jì)了一種無需取下智能穿戴設(shè)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(nèi)能量傳輸(Intra-Body Power Transfer,IBPT)技術(shù),利用人體作為傳輸電力的媒介,實(shí)現(xiàn)在用戶與日常物品交互時(shí)以無線方式為可穿戴設(shè)備充電。該研究論文題目為《ShaZam 一種通過人體體內(nèi)能量傳輸技術(shù),利用日常物品為智能穿戴設(shè)備充電方案(ShaZam:Charge-Free Wearable Devices via Intra-Body Power Transfer from Everyday Objects)》,于 6 月 24 日發(fā)表在國際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)會(huì)議錄上。

體內(nèi)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(jì) 90 年代 IBPT 的概念就被引入,但是可行性評估及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等方面的探索還不是很多。與 IBPT 相關(guān)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)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(nèi)通信(IBC)領(lǐng)域的啟發(fā)(IBC是一種把人體當(dāng)作電纜,利用通信裝置進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信的技術(shù)),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(zhǔn)靜態(tài)近場電容耦合建立信號(hào)返回路徑的電容耦合方法,二是視人體為有耗導(dǎo)電介質(zhì)的電容耦合方法。

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

在這種配置中,人體周圍的時(shí)變電場可以近似為一個(gè)均勻的相場,它會(huì)誘導(dǎo)電流流過人體組織,從而傳遞能量。

利用人體導(dǎo)電的示意圖

▲利用人體導(dǎo)電的示意圖

美國馬薩諸塞大學(xué)研究人員的ShaZam智能穿戴設(shè)備充電解決方案,就采用這種電容耦合機(jī)制,其中正向電路構(gòu)建方式是通過干燥的銅材質(zhì)電極讓射頻信號(hào)進(jìn)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(huán)境之間的固有自然電容建立。

研究人員實(shí)驗(yàn)了在人與三種不同設(shè)備(臺(tái)式機(jī)外接鍵盤、筆記本上的鍵盤和汽車方向盤)接觸時(shí),這些設(shè)備通過人體導(dǎo)電,將電力傳輸給腕戴式智能設(shè)備。

測試充電設(shè)備

▲研究人員采用 3 種日常設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

研究人員設(shè)計(jì)的這種充電方案目前可以支持 Fitbit Flex 和小米手環(huán)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(shè)備充電。

ShaZam指標(biāo)、設(shè)備區(qū)別于其他無線充電

其實(shí)無線充電已經(jīng)不算一項(xiàng)新技術(shù)了,各大手機(jī)及智能穿戴廠商都大秀其無線充電技術(shù),像今年小米、OPPO 發(fā)布了它們自己研發(fā)的無線充電技術(shù)。

無線充電是指利用磁感應(yīng)、磁共振以及電容耦合等機(jī)理實(shí)現(xiàn)電源到負(fù)荷的近場電力傳輸技術(shù)。

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(fā)射無線電的天線,對進(jìn)行能量傳輸?shù)纳漕l無線充電,另一類是使用儀器化的基礎(chǔ)設(shè)施,可創(chuàng)建允許成對設(shè)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(yīng)無線充電和電磁諧振無線充電兩種略有區(qū)別的充電方式)。

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

像小米的隔空充電就是,隔空充電樁會(huì)有對設(shè)備進(jìn)行空間定位用的相位干涉天線,探測設(shè)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(fā)射給設(shè)備。設(shè)備端裝有信標(biāo)天線,在空間場內(nèi)廣播設(shè)備位置信息,和接收天線陣列將充電樁發(fā)射的毫米波信號(hào),通過整流電路轉(zhuǎn)化為電能。

電磁耦合無線充電技術(shù)研究,更多研究是關(guān)注電容和電感傳輸模式,它們在大房間內(nèi)產(chǎn)生電場或磁場,允許設(shè)備通過場耦合獲得功率。雖然比基于天線的充電系統(tǒng)更節(jié)能,但是需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)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(qū)域。

現(xiàn)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(shè)備會(huì)通過磁場的無線磁路代替有線電線,實(shí)現(xiàn)電力的傳輸。充電時(shí),充電器和被充電設(shè)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(shè)備數(shù)量限制這三項(xiàng)限制了電磁感應(yīng)無線充電的發(fā)展。例如,華為的 HUAWEI WATCH 3 說明書中介紹,要確保 2 個(gè)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(diào)整貼合度直到手表屏幕出現(xiàn)充電指示 ",二是 " 在無線充電時(shí),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(shù)對位置和距離要求更低,有助于解決充電位置和充電數(shù)量等問題。像 OPPO 今年發(fā)布的隔空充電技術(shù),就是采用電磁諧振傳遞能量,即使發(fā)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(shè)備充電解決方案結(jié)合了射頻無線充電、電磁感應(yīng)和電磁諧振無線充電一樣都是利用了電磁原理進(jìn)行充電,差異點(diǎn)在于它們使用的電介質(zhì)不同。電介質(zhì)可以分為自由空間、人造基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)不同,其各設(shè)備和指標(biāo)的設(shè)計(jì)與常見的無線充電方法上有較大區(qū)別。

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

無線充電需考慮對其他設(shè)備的影響

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

射頻無線充電暴露的另一個(gè)問題是,對主動(dòng) / 被動(dòng)醫(yī)療植入物的電磁干擾以及對同樣用到射頻的設(shè)備會(huì)有影響。

工信部在今年 2 月發(fā)布的《無線充電 ( 電力傳輸 ) 設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定(征求意見稿)》中就有相關(guān)內(nèi)容規(guī)定,提到為了保護(hù)射電天文業(yè)務(wù)、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(tái)址的保護(hù)距離內(nèi)和船舶、航空器內(nèi)使用無線充電設(shè)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(jié)論:用戶需求帶動(dòng)設(shè)計(jì)變化

從技術(shù)層面,通過人體為智能穿戴設(shè)備充電已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí),但是安全性測試還比較簡單,參與實(shí)驗(yàn)的志愿者數(shù)量不多,有些數(shù)據(jù)還不具有代表性。但是為利用人體做電介質(zhì)充電的下一階段進(jìn)展已經(jīng)

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