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不摘智能手表就能充电,这项研究让人体变电线
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不摘智能手表就能充电,这项研究让人体变电线

  • 发布时间:2021-08-12

不摘智能手表就能充电,这项研究让人体变电线

【概要描述】健康监测功能逐渐成为大家使用智能穿戴重要原因之一。智能穿戴设备需要取下来充电,这会影响监测健康数据的完整性。 

近日,美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员设计了一种无需取下智能穿戴设备就可以充电的新解决方案,名为ShaZam。 

  • 发布时间:2021-08-12
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健康监测功能逐渐成为大家使用智能穿戴重要原因之一。智能穿戴设备需要取下来充电,这会影响监测健康数据的完整性。 

近日,美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员设计了一种无需取下智能穿戴设备就可以充电的新解决方案,名为ShaZam。 

ShaZam其中的原理涉及体内能量传输(Intra-Body Power Transfer,IBPT)技术,利用人体作为传输电力的媒介,实现在用户与日常物品交互时以无线方式为可穿戴设备充电。 

该研究论文题目为《ShaZam一种通过人体体内能量传输技术,利用日常物品为智能穿戴设备充电方案(ShaZam:Charge-Free Wearable Devices via Intra-Body Power Transfer from Everyday Objects)》,于6月24日发表在国际计算机学会(ACM)会议录上。 

论文链接:

https://dl.acm.org/doi/10.1145/3463505

 

01 保证人体安全情况下,让电能流入流出

虽然在20世纪90年代IBPT的概念就被引入,但是可行性评估及现实应用等方面的探索还不是很多。与IBPT相关的主要技术挑战是,在电流正向流入人体和反向流出人体的过程保证人体的安全。 

受体内通信(IBC)领域的启发(IBC是一种把人体当作电缆,利用通信装置进行双向数据通信的技术),利用人体充电有两种潜在的解决方案,一是以人体为前向路径,利用准静态近场电容耦合建立信号返回路径的电容耦合方法,二是视人体为有耗导电介质的电容耦合方法。 

在电容耦合方法中,功率发射器和接收器都将具有一个电极(称为皮肤电极)与人体建立电容耦合和一个浮动的金属板(称为接地电极)在空气中建立另一个与环境的电容耦合(包括两个接地电极之间的寄生耦合)。 

在这种配置中,人体周围的时变电场可以近似为一个均匀的相场,它会诱导电流流过人体组织,从而传递能量。 

 

 

▲利用人体导电的示意图 

美国马萨诸塞大学研究人员的ShaZam智能穿戴设备充电解决方案,就采用这种电容耦合机制,其中正向电路构建方式是通过干燥的铜材质电极让射频信号进入身体组织,返回电路则通过一对漂浮在空气中的铜制金属电极与周围环境之间的固有自然电容建立。 

研究人员实验了在人与三种不同设备(台式机外接键盘、笔记本上的键盘和汽车方向盘)接触时,这些设备通过人体导电,将电力传输给腕戴式智能设备。 

 

 

▲研究人员采用3种日常设备进行实验

研究人员设计的这种充电方案目前可以支持Fitbit Flex和小米手环等超低功耗健康追踪器,但还无法支持为像Apple Watch这种功耗高的可穿戴设备充电。 

02 ShaZam指标、设备区别于其他无线充电

其实无线充电已经不算一项新技术了,各大手机及智能穿戴厂商都大秀其无线充电技术,像今年小米、OPPO发布了它们自己研发的无线充电技术。 

无线充电是指利用磁感应、磁共振以及电容耦合等机理实现电源到负荷的近场电力传输技术。 

无线电力传输方法大致分为两类:一类是使用可以接收和发射无线电的天线,对进行能量传输的射频无线充电,另一类是使用仪器化的基础设施,可创建允许成对设备建立耦合的电场或磁场的电磁耦合无线充电(具体有电磁感应无线充电和电磁谐振无线充电两种略有区别的充电方式)。 

射频无线充电设备要么使用专用发射器/接收器进行周期性电能传输,要么从环境波源(如电视或广播电台)中收集电能。 

像小米的隔空充电就是,隔空充电桩会有对设备进行空间定位用的相位干涉天线,探测设备位置,以及相位控制天线阵列,通过波束成形将毫米波定向发射给设备。设备端装有信标天线,在空间场内广播设备位置信息,和接收天线阵列将充电桩发射的毫米波信号,通过整流电路转化为电能。 

电磁耦合无线充电技术研究,更多研究是关注电容和电感传输模式,它们在大房间内产生电场或磁场,允许设备通过场耦合获得功率。虽然比基于天线的充电系统更节能,但是需要对基础设施进行大量改造,以确保电场或磁场可以无处不在地覆盖所需的区域。 

现在很多智能手表大多用这种电磁耦合无线充电方法,这些设备会通过磁场的无线磁路代替有线电线,实现电力的传输。充电时,充电器和被充电设备都得有线圈,而且两者的线圈必须对齐,并在极近的距离下(触碰)才能正常工作。 

 

 

需要对齐线圈、距离限制、充电设备数量限制这三项限制了电磁感应无线充电的发展。例如,华为的HUAWEI WATCH 3说明书中介绍,要确保2个方面操作正确才能顺利安全的充电,一是需“将手表放置在充电底座上,使手表背面贴合充电底座,调整贴合度直到手表屏幕出现充电指示”,二是“在无线充电时,请使用专用底座并确保线圈正对”。 

 

 

电磁谐振无线充电技术对位置和距离要求更低,有助于解决充电位置和充电数量等问题。像OPPO今年发布的隔空充电技术,就是采用电磁谐振传递能量,即使发射端与接收端的线圈位置没有完全吻合,也可以保持充电。 

ShaZam智能穿戴设备充电解决方案结合了射频无线充电、电磁感应和电磁谐振无线充电一样都是利用了电磁原理进行充电,差异点在于它们使用的电介质不同。电介质可以分为自由空间、人造基础设施和人体组织等等。而通过人体组织需要更注重其安全性。 

ShaZam方案使用的电介质不同,其各设备和指标的设计与常见的无线充电方法上有较大区别。 

ShaZam方案包含的IBPT的工作原理严格限制人体组织直接耦合发射器和接收器的发射功率,从而最大限度地减小发射器的尺寸和对人体介质的损耗。 

03 无线充电需考虑对其他设备的影响

近场无线充电使用安全性方面是需要重点考虑。特别是在高频(HF)范围内,入射时变电磁场(EMF)波会通过人体组织产生位移电流(即空间中电场的时间变化),这可能导致组织的热损伤,因此需要对选定的工作频率进行限制。 

射频无线充电暴露的另一个问题是,对主动/被动医疗植入物的电磁干扰以及对同样用到射频的设备会有影响。 

工信部在今年2月发布的《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》中就有相关内容规定,提到为了保护射电天文业务、保证船舶、航空器专用无线电频率的使用安全,禁止在射电天文台址的保护距离内和船舶、航空器内使用无线充电设备。 

如何解决或者减少这些影响,同样是智能穿戴无线充电需要考虑的事情。 

04 结论:用户需求带动设计变化

从技术层面,通过人体为智能穿戴设备充电已经成为现实,但是安全性测试还比较简单,参与实验的志愿者数量不多,有些数据还不具有代表性。但是为利用人体做电介质充电的下一阶段进展已经夯实了基础。 

像佳明生产的一款智能手表就配有太阳能充电功能,MATRIX的PowerWatch有利用人体热能充电功能,这些可能更偏向于户外用智能手表,各厂商也在研究有没有更多的智能设穿戴备充电方法。 

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