无电池手机:有望彻底告别手机电池不耐用!

手机电池不耐用怎么办?无论你是iPhone用户还是Android用户,相信你都遇到过这样的问题,无论是随身携带充电宝、禁用耗电软件、优化系统设计,还是更换手机电池甚至是更换手机,似乎都不是一个蓄电的最理想解决方案。

好消息:来自美国华盛顿大学的研究团队设计出一款 “不需要电池的手机”,直接摒弃电池,通过技术创新,大幅降低手机功耗,并突破性的采取 “空中取电”技术来实现无电池手机的功能设计。

无电池手机:设计极简,直板无屏
无电池手机正面设计

研究团队利用现成的商业电子元器件和定制的印刷电路板,设计出了原型手机。并实现了手机的基础功能:语音和数据传输,以及通过电容式触摸的用户输入。为了实现这些功能,研究团队对无电池系统架构进行了重大的重新设计

手机的关键创新之一是使用模拟信号,而不是数字语音编码,而这一设计节省了大量的电力

现有的传输和接收语音的方法需要ADC(Analog-to-Digital Converter,模数转换器,将模拟信号转换为数字信号的转换器)和DAC(Digital-to-analog converter,数字模拟转换器,将数字信号转换为模拟信号的转换器)来连接传感器和计算模块,消耗了太多的能量,无法适用于实时无电池系统,为了解决这些缺点,绕过传感器和通信模块的计算模块,消除这种功耗转换过程,创建了一个纯粹的模拟系统,用于语音传输和接收,将手机功耗将至最低3.5微瓦。

无电池系统可以持续地利用射频信号和使用微型光电二极管的环境光所产生的能量

射频或者光电二极管将摄入的射频信号和环境光分别转换成电流输出,为手机提供能量。此前的研究已经证明可以从无线射频信号中获取少量的电力(1-100μW)。最近在反向散射通信方面的科研进展及工作中发现,同样的电能也可以从环境中的电视信号、基站、Wifi、蓝牙FM信号中获取。

同时,采用硅针光电二极管作为传感器,能够从环境光中获取能量。研究团队最低目标是在普通的家庭和办公室里,在500lux的环境光中连续运行无电池手机。

设计极简,直板无屏,一切设计为功能服务

采用成熟的商业电子元器件,定制印刷电路板,为了尽可能的降低手机功耗,研究团队开发了出没有电池,没有屏幕,没有扬声器,没有复杂芯片,没有复杂功能,仅带14键的电容式触控原型手机。14键设计,仅有0-9位数字键,*和#用于拨号,设置A和B键进行手机控制,通过电容式触摸进行电话的拨打和接听,不过接听电话还需要配合耳机才能实现。

无电池手机,接听电话仍需耳机配合

作为世界上第一款无电池手机,工程师们的初心值得肯定,但是为了实现其基础通话功能,工程师们不得不做出许多妥协:

需要使用专门的基站来完成手机所有操作

无电池手机只与基站进行通信,这种基站负责连接手机和蜂窝网络之间的连接。虽然手机的功耗降低了,但是所有耗电的组件和操作(如与蜂窝网络的协调和通信),都委托给了基站。在实验过程中,研究团队利用网络电话Skype成功拨打和接听电话,就是利用Skype插件与蜂窝网络进行交互,并实现手机和蜂窝网络之间的连接。

值得关注的是,研究人员表示,这个专门制作的基站在未来有望集成到标准蜂窝网络通讯的基础设施中,或集成到Wifi路由器等通常用于电话服务的通讯设施中。

空中取电,但是使用距离受到限制

虽然研究团队实现了从无线射频信号和环境光源中获取电力,但是却只能在9.4米远的地方发射的无线射频信号中获取能量,即便是利用环境光源中的电能,也只能和距离最远为15.2米的基站进行通信。有效连接范围还达不到蓝牙,真是让人尴尬。也更让人期待下一步的研究能够在环境中的电视信号、基站、Wifi、蓝牙FM信号中获取能量。

对讲机式操作

为了传输语音信号,手机会捕捉来自麦克风的微小振动,同时基站会发送无线电波,对声音进行编码,在另一方接收声音时,便将编码过后的无线电波转换成声音的震动。在原型手机中设置有发送和接听按键,通话时需要在发送和接听模式之间进行切换,如同使用对讲机一般。

华盛顿大学“无电池手机”研发团队

当然,目前的原型手机并不完美,没有颜值,更谈不上易用性和人性化设置,而且连最基础的手机功能也是在特定条件下才能实现的,但是工程师们的初心还是值得我们肯定的。特别是在地质灾害应急使用时,或许能够挽救更多人的生命。

研究人员也在考虑将一些额外的功能集成到无电池设计中,如增加可以获取太阳能和无线射频信号的墨水显示屏以及将低功耗的手势识别集成到无电池手机设计中。

对此,Vamsi Talla(Battery-Free Cellphone第一作者,Jeeva Wireless公司CTO)表示:

“在未来,所有的基站或者Wifi路由器都可能会嵌入我们的技术,你可以想像,如果家家户户都有Wifi路由器,这种无电池手机可以在任何地方使用。”

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