背景

如今，各式各样的移动设备、智能硬件、物联网终端设备，让我们的工作和生活都变得更加便捷。但是，电池一直是影响这些设备的性能和用户体验的关键瓶颈之一。例如，续航时间短、需要反复连接电源充电，都是我们经常会遇到的问题。

创新

近日，美国华盛顿大学工程师团队首次开发出一种采用激光为智能手机安全充电的新方案。去年12月，团队在美国计算机协会关于交互、移动、可穿戴和普适技术的会议上发表了一篇论文。在论文中，团队描述了采用一束来自激光发射器的狭窄的可见光光束，跨越房间为智能手机充电，充电速度有望媲美标准的USB线。

（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）

论文合著者之一、华盛顿大学 Paul G. Allen 计算机科学与工程学院副教授 Shyam Gollakota 和论文合著者之一、华盛顿大学物理与电气工程系助理教授 Arka Majumdar 领导的研发团队，设计出这种无线充电系统及其安全功能。论文的合著者还包括华盛顿大学Allen 学院博士研究生 Rajalakshmi Nandakumar 。这项研究由美国国家科学基金、艾尔弗·斯隆基金和谷歌教授科研奖赞助。

技术

为了实现这一方案，团队在智能手机背面安装了一个电池，它可以利用激光的能量为智能手机充电。此外，团队还定制设计了安全功能，包括在智能手机上安装一个平面的金属散热器，驱散来自激光的多余热量；还有一个基于反射器的机制，如果有人想要通过充电光束路径时，激光会被关掉。

Shyam Gollakota 表示：“安全是我们系统设计的关键。我们设计、制造并测试了这种具有快速响应安全机制的激光充电系统，它确保有人进入激光路径时，激光发射器将关闭充电光束。”

Majumdar 表示：“除了快速关闭充电光束的安全机制，我们平台包括了一个散热器，用于驱散充电光束产生的多余热量。这些功能让我们的无线充电系统具有鲁棒的安全标准，从而可以应用于各种商业和家居配置。”

团队配置激光发射器，使之产生近红外波段的聚焦光束，用于充电。关闭充电光束的安全系统，是基于低功率、不致伤的激光“保护光束”。与充电激光束处于相同位置的另外一个激光光源，激发出“保护光束”，物理上“围绕着”充电光束。

（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）

3D打印的定制“激光反射器”，安装在智能手机电池的周围，将保护光束反射回激光发射器上的光电二极管。

（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）

保护光束本身无法为智能手机充电，但是它们可以从智能手机反射回发射器，使它们像“传感器”一样，当有人移动到保护光束的路径中时，便可以被感知到。当任何物体（例如人体的一部分）与其中一个保护光束接触时，研究人员设计的激光发射器就会关闭充电光束。保护光束一旦被阻挡，会被迅速感知到，基于几十年的生理学研究，可以检测到最快速的人体运动。

Gollakota 表示：“保护光束比我们最快速的移动更快，因为这些光束能够以光速反射回发射器。因此，当保护光束被人体运动阻碍时，激光器可以在几分之一秒时间内检测到，并且在人体与光束发生接触之前，部署遮光器阻止充电光束。”

Majumdar 表示，下一代纳米光学设备，有望在千兆赫频率下运行，使得激光器的响应时间减少到纳秒。

光束通过手机背面的电池为智能手机充电。一束窄光可为4.3米距离之外、15平方英寸的面积，提供2瓦的稳定电力。但是，经过修改后，反射器产生的充电光束的覆盖半径将得以扩展，可为12米之外、100平方厘米的面积，提供电力。这意味着，改善发射器将可以覆盖更宽的充电表面，例如计算器或者平板电脑，为处于那个表面之上任何位置的智能手机充电。

研究人员对智能手机进行编程，使之发出高频声学“鸣叫”，标志它的位置。我们的耳朵无法听到这些声音，但是，激光发射器上的小型麦克风足够灵敏，可以检测到这些信号。

华盛顿大学博士生、论文合著者之一 Vikram Iyer 表示：“这种声学定位系统，保证发射器可以检测到用户将智能手机放置到充电表面上，它可以是一个普通位置，就像房间中的桌子一样。”

当发射器检测智能手机位于期望中的充电表面上时，就会打开激光，开始为电池充电。

论文领导作者之一、华盛顿大学电气工程系博士研究生 Elyas Bayati 表示：“光束的充电速度如同将你的智能手机插入USB端口一样。但是，你无需将手机插入端口，你只需要将它简单地放置在桌子上。”

为了确保充电光束不会过度加热手机，团队也在智能手机背部电池周围安装了薄薄的铝条。这些铝条就像一个散热器，将充电光束多余的热量驱散掉，让激光器能够为智能手机充电几小时。他们甚至通过在散热器铝条上，安装几乎扁平的热电发电机，采集小部分热量，为智能手机充电。

（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）

价值

研究人员相信，他们开发的这种鲁棒的安全和散热功能，将保证为其他设备，例如摄像头、平板电脑、甚至是桌面计算机，提供基于激光的无线充电。这样一来，为智能手机、平板电脑或者笔记本电脑充电的例行任务，有朝一日将被更简单的方式取代，将它们放在桌子上就可以了。

关键字

智能硬件、无线充电、激光

参考资料

【1】http://www.washington.edu/news/2018/02/20/using-a-laser-to-wirelessly-charge-a-smartphone-safely-across-a-room/

【2】Vikram Iyer, Elyas Bayati, Rajalakshmi Nandakumar, Arka Majumdar, Shyamnath Gollakota. Charging a Smartphone Across a Room Using Lasers. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2018; 1 (4): 1 DOI: 10.1145/3161163

文章来源:头条号