玩游戲怕手機(jī)沒電？“無電池手機(jī)”帶你開黑

最近迷上了一款小學(xué)生玩的游戲——王者農(nóng)藥，昨晚跟小伙伴們正開黑，眼看就五殺了，突然彈出我電量不足，錯(cuò)過了殺人的時(shí)機(jī)，曾經(jīng)，五殺離我那么近，又那么遠(yuǎn)~~啊~五殺，你比四殺多一殺。。。

此刻無比需要一個(gè)不用充電的手機(jī)，來個(gè)大招回血，電量瞬間滿格。

隨著智能手機(jī)與我們生活嵌合得越來越緊密，電池續(xù)航也成了人們的痛點(diǎn)。于是手機(jī)廠商打出了「充電 5 分鐘，通話 2 小時(shí)」的口號，蘋果和三星也在無線充電上加快自己的步伐，甚至還衍生出讓王思聰「立帖吃翔」的共享充電寶。

無限續(xù)航手機(jī)誕生

如果手機(jī)不再需要充電，上述問題將不復(fù)存在。而這樣「瘋狂」的事正在成為現(xiàn)實(shí)，據(jù) UW News 報(bào)道，美國華盛頓大學(xué)的研究人員最近發(fā)明了一款不需要充電的無電池手機(jī)，能從無線信號和環(huán)境光線中獲取能量，從而實(shí)現(xiàn)續(xù)航一輩子的夢想。

目前這種無需電池的手機(jī)已經(jīng)有原型機(jī)，原理也很簡單就是沒有復(fù)雜的芯片，沒有復(fù)雜的功能，也無需屏幕，保留最基礎(chǔ)的打接電話功能，所以把自身的功耗降低到最低點(diǎn)，僅需幾毫瓦電量就能正常使用。而這些電量來源于環(huán)境光或者周圍的無線信號，比如wifi、電信無線網(wǎng)絡(luò)、收音機(jī)無線信號等等，通過獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器，把光和無線信號轉(zhuǎn)換成電能，從而實(shí)現(xiàn)通話。

永動(dòng)機(jī)的神話真的存在?

沒有電池，無需充電，還要維持手機(jī)的正常運(yùn)行，這看似「永動(dòng)機(jī)」般的天荒夜談，背后的原理總結(jié)起來其實(shí)無非就是開源節(jié)流。

首先是節(jié)流

華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家與電氣工程師團(tuán)隊(duì)消除了一個(gè)在蜂窩傳輸過程中極為耗電的步驟，即將聲音模擬信號轉(zhuǎn)化收手機(jī)可理解的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在這個(gè)過程中需要消耗大量能量。據(jù)研究人員介紹，為了解決這個(gè)問題，他們不得不重構(gòu)手機(jī)這部分的設(shè)計(jì)。

具體的解決方案就是利用手機(jī)通話時(shí)麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器產(chǎn)生的微小振動(dòng)，由于這些組件連接著天線，研究人員就將這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為由蜂窩基站發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)無線電信號的變化，這個(gè)過程是將語音模式編碼反射到無線電信中，基本不消耗任何功率。

基于現(xiàn)有的組件，他們的手機(jī)裝置可以利用從射頻獲得的能量撥打電話給9.4米處的定制基站。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還打造了配有光電二極管的裝置，利用光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化環(huán)境光給手機(jī)供能，將有效工作距離提高到了 15.2 米。

華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在一個(gè)印刷電路板組成的原型設(shè)備上驗(yàn)證了這個(gè)設(shè)計(jì)的可行性。在這部原型機(jī)中，這部機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)基本的通話功能、數(shù)據(jù)傳輸以及按鍵輸入信息。

在測試視頻中可以看到研究人員使用 Skype 接打電話和實(shí)現(xiàn)呼叫等候。而實(shí)際演示中，該團(tuán)隊(duì)在演示中展示了這款設(shè)備的原型機(jī)，通過原型機(jī)進(jìn)行了Skype通話實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)基本的通話功能、數(shù)據(jù)傳輸以及按鍵輸入信息。并且還能接收到基站信號，已經(jīng)具備了手機(jī)的基礎(chǔ)功能。

從圖片中看來，覺得這個(gè)手機(jī)很簡單，其實(shí)并不然，實(shí)際上這個(gè)原型機(jī)是科研人員花費(fèi)了巨大努力的研究成果，首先需要把功耗控制到最低，所以設(shè)計(jì)人員完全重構(gòu)了手機(jī)，把最費(fèi)電的部分全部推倒重新設(shè)計(jì)，所以最終的原型機(jī)已經(jīng)能達(dá)到幾毫瓦的超低功耗。

這部手機(jī)的一部分設(shè)計(jì)靈感來源于俄羅斯政府在1940年代后期送給美國駐莫斯科大使館的美國大紋章雕像，里面安裝有一個(gè)用無線電波運(yùn)行無源監(jiān)視的裝置。

這款手機(jī)是半雙工的(half-duplex：數(shù)據(jù)可以在一個(gè)信號載體的兩個(gè)方向上傳輸，但是不能同時(shí)雙向傳輸)，這也意味著用戶可以聽或說話，但不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。其中還設(shè)置有一個(gè)微控制器控制著射頻開關(guān)，當(dāng)用戶按下開關(guān)說話的時(shí)候，射頻開關(guān)就將話筒連到天線上;當(dāng)要聽的時(shí)候，射頻開關(guān)就與耳機(jī)相連。因此用戶必須按住一個(gè)特定按鈕來呼叫或通話，比起手機(jī)這更像是一部對講機(jī)。

雖然這部手機(jī)號稱「功耗幾乎為零」，但研究人員展示的原型機(jī)功率預(yù)算還是有 3.5 微瓦，這對于沒有電池的手機(jī)來說也是一個(gè)大問題。

所以要開源

由于功率的限制,目前許多無源傳感器傳輸信息具有間歇性的特點(diǎn)，比如每隔一分鐘左右才傳輸一次信息。又或者，在RFID(無線射頻識別)標(biāo)簽的下，一些無源傳感器必須非常接近讀取器，以便有足夠的功率傳輸消息?；诠牡膯栴}，這時(shí)候就要開源了，而開源的關(guān)鍵就是能量采集。

由于能量采集技術(shù)采集到的能量非常微小，很難直接應(yīng)用，必須積少成多地把它們收集并管理起來，這也涉及到能量存儲及減小漏電流的問題，需要有能連續(xù)存儲并極低漏電流的存儲器件，只有漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于收集的能量，這些采集來的能量才有可能會被用到;一旦這些采集到的能量集中管理起來后，可以被用來驅(qū)動(dòng)一些短暫或脈沖型的負(fù)載;對于那些連續(xù)工作的負(fù)載就牽扯到另一個(gè)問題，低功耗和超低功耗器件，只有這些超低功耗的器件的工作損耗與采集的能量及這些能量的管理達(dá)到平衡，微能量采集才能真正被廣泛應(yīng)用。

與此同時(shí),想要將能量收集起來進(jìn)行利用，還需要關(guān)鍵是要解決兩方面的問題：一是芯片自身低功耗，二是思考怎么樣提高轉(zhuǎn)換效率。大幅提高轉(zhuǎn)換效率很多物理定律及相關(guān)材料問題，不是一個(gè)很容易解決的問題，大幅度降低芯片自身的功耗及管理好采集到的能量則相對比較容易實(shí)現(xiàn)。 比較現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)是通過電源管理芯片來實(shí)現(xiàn)的。

因此，在進(jìn)行能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)另外需要考慮的是不要只采用一種能量采集技術(shù)，而要在允許的條件下盡可能采用多種能量采集技術(shù)，以保證任何條件下都能正常工作。目前比較成熟的能量采集方案包括了利用太陽能取電及利用電流互感器飽和特性的取電兩種能量收集。而在能量采集技術(shù)和市場未來發(fā)展的趨勢上，太陽能的能量采集將會較快地被應(yīng)用到產(chǎn)品中，因?yàn)檫@一技術(shù)可以在任何有光的場合進(jìn)行利用，而且該技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，接受度高。

研究人員為這部無電池手機(jī)尋找了兩個(gè)能量源。一個(gè)是從距離手機(jī) 31 英尺(約 9.45 米)遠(yuǎn)的基站傳輸過來的無線電信號中獲取能量。另一種則是利用手機(jī)中一粒米大小的太陽能電池來發(fā)電，這能讓手機(jī)與 50 英尺(15.24米)外的基站進(jìn)行通訊。實(shí)際上通過無線電或者太陽能獲取的能量也十分有限，大約在 1-10 微瓦左右。這就讓一些部件不能持續(xù)運(yùn)行，比如只能讀取一部分信息后休眠幾分鐘后再繼續(xù)運(yùn)行。而如果這發(fā)生通話過程中無疑是一場噩夢，更別提你想要打游戲了，根本無法供應(yīng)!

無電池手機(jī)道路的大跨步

在早些時(shí)候發(fā)表的一篇會議論文中，現(xiàn)任Jeeva Wireless的首席技術(shù)官Talla同他的同事認(rèn)為，他們的這項(xiàng)設(shè)計(jì)是朝實(shí)現(xiàn)無電池手機(jī)道路上的一個(gè)大跨步。他們希望最終能打造出可以遠(yuǎn)距離持續(xù)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)、語音的無電池設(shè)備。正如Talla說的，我們向世界展示的無電池設(shè)備不應(yīng)該只是個(gè)傳感器，它可以是一整個(gè)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，你可以用它切實(shí)的做一些有用的事情。

Vamsi Talla在華盛頓大學(xué)做電子工程博士后的時(shí)候發(fā)明了這款手機(jī)裝置，正如他所說：“你可以想象這樣的場景，當(dāng)你的手機(jī)電池沒電的時(shí)候，你至少還有足夠功率撥打911緊急電話。這個(gè)裝置將會是你的救命稻草。”

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電氣工程系教授Raj Rajkumar認(rèn)為，這項(xiàng)研究在是無線電傳輸研究過程中具有新意的一步。同時(shí)他也指出，下一步的研究或許需要評估用射頻這一方式向移動(dòng)設(shè)備傳輸功率的安全性。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮

現(xiàn)在，該設(shè)備只支持用戶在定制基站的近距離內(nèi)使用。Talla補(bǔ)充道，對于那些需要撥打緊急電話的用戶，基站不可能總是在他們的附近，不過隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推出，預(yù)計(jì)供應(yīng)商將大幅的增加基站密度，最起碼在城市范圍內(nèi)這一情況將有所改觀。同時(shí)，由于在最初的測試中，基站向設(shè)備發(fā)射的是只是915兆赫單一頻段的電波，Talla期待可以在其他頻段上實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的接收距離。

無電池手機(jī)作為一款功能機(jī)而言也還是殘缺的，可見這項(xiàng)技術(shù)距離商用應(yīng)該還有一段不短的距離。該研究團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃開發(fā)一套新的語音傳輸和接收的方案，以保證手機(jī)能正常運(yùn)作。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基站技術(shù)未來也有望集成在標(biāo)準(zhǔn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和 WiFi 路由器中。

從目前的進(jìn)度來看，要把這個(gè)無電池手機(jī)量產(chǎn)還需要一定的時(shí)間。另外，這款手機(jī)重要的作用還是接打電話，即使量產(chǎn)也是低功耗設(shè)計(jì)，想要各種附加功能，恐怕難度還是很大的，所以既想無電池續(xù)航又想有各種附加功能的朋友們還是不要等這款手機(jī)了。

結(jié)語：

在無線充電都尚未普及的今天，談?wù)撍^無電池手機(jī)似乎為時(shí)過早。不過這項(xiàng)技術(shù)的萌芽也讓我們可以對未來的手機(jī)產(chǎn)生新的幻想，當(dāng)我們有一天拿著自己的手機(jī)而不用再因?yàn)橛疑辖堑臄?shù)字焦慮，確實(shí)是一件挺美好的事情。

那么當(dāng)手機(jī)電量剩余多少時(shí)你會「焦慮」呢?