现代计算设备功能强大且小巧,可以轻松佩戴在身体上。然而,电池成为设计和用户体验的主要障碍,增加了设备的重量和体积,并且需要定期充电和移除设备。 传统的无线能量传输技术要么功率不足,要么需要专门设计的环境。 为了解决这些问题,卡内基梅隆大学的研究人员提出了<strong>通过人体传输能量</strong>的Power-over-Skin “皮肤供电”技术。 它使用40 MHz的射频(RF)能量通过人体传输电力,支持全身范围内分布的无电池设备。 该系统通过一个可穿戴的发射器将电力耦合到人体,能量通过人体皮肤传导到多个接收器(如蓝牙控制环、温度监测贴片、太阳暴露监测设备等)。 通过这种方式,用户可以佩戴多个小型设备,而无需为每个设备配备电池。 [video width="1920" height="1080" mp4="https://img.xiaohu.ai/2024/10/10月16日-11-1.mp4"][/video] 简单来说,人体就像一个能量导体,通过携带一个小型发射器(例如嵌入在手表或耳机中),射频能量可以通过皮肤传导能量,供电到全身各处佩戴的小设备。 这项技术的核心优势是:未来的智能戒指、耳环、健康监测贴片等设备可以通过这项技术直接从人体获取能量,<strong>无需内置电池和频繁充电。</strong> <ul> <li><strong>通过人体供电</strong>:通过人体传输射频能量,无需为设备配备电池,大大减小了设备的体积和重量。</li> <li><strong>全身覆盖</strong>:一个发射器就能给全身的多个设备供电,不管是手上还是脚上,都可以正常工作。实验表明,发射器可以传输最高1500微瓦的能量。<img class="aligncenter size-full wp-image-14675" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9b_rHW4AAKNIZ.jpg" alt="" width="734" height="1014" /></li> <li><strong>多种设备支持</strong>:能够为多种可穿戴设备供电,如微控制器、传感器、显示屏等设备,支持设备进行输入、输出、传感和无线通信。<img class="aligncenter size-full wp-image-14673" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9c5BqWwAAAiqI.jpg" alt="" width="1199" height="674" /></li> <li><strong>穿透衣物供电</strong>:该技术不仅可以直接通过皮肤供电,还可以穿过衣物进行能量传输,进一步提高了使用的便利性。<img class="aligncenter size-full wp-image-14671" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9dmTVWYAAnwJi.jpg" alt="" width="1200" height="692" /></li> <li><strong>灵活的设备集成</strong>:该系统能够集成到小型可穿戴设备中,如耳环、戒指、医疗贴片等,同时还能支持更复杂的设备,如蓝牙控制的输入设备和显示器。<img class="aligncenter size-full wp-image-14670" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9d2brXcAAaSKI.jpg" alt="" width="1199" height="490" /></li> <li><strong>高效能量传输</strong>:通过优化技术,这项系统可以在较远距离内传输足够的能量,让设备能长时间正常工作。</li> </ul> 目前,这种技术已经能够为一些低功耗设备供电,功率约为1毫瓦,虽然有限,但足够用于一些如健康监测设备的应用场景。此外,这种电力传输还能通过衣物工作,并与导电织物集成,具有实际应用的潜力。未来,该技术可能与现有的AR设备等集成,进一步减少设备的充电需求。 <img class="aligncenter size-full wp-image-14676" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9bMFiWQAAntIO.jpg" alt="" width="1200" height="675" /> <h5>技术原理</h5> <ol> <li><strong>利用人体传输能量</strong>: <ul> <li>这项技术的核心思想是利用人体作为能量传输的媒介。发射器通过一种特殊的射频(RF)信号将能量传递到人体表面,接收器再通过接触皮肤从人体吸收这部分能量。微型接收器可以安装在身体的任何地方 - 它将交流电整流为直流电,并将其存储在电容器中。这样,设备就不需要电池,直接通过人体供电。</li> </ul> </li> <li><strong>使用40MHz的射频信号</strong>: <ul> <li>研究发现,40MHz这个频率的射频信号在人体上传输效果最好。相比于其他频率,这个频率的信号不会轻易散失在空气中,能很好地沿着人体传播,因此能量传输的效率很高。</li> </ul> </li> <li><strong>电容耦合原理</strong>: <ul> <li>这个技术依赖于电容耦合,也就是通过人体的电容特性进行能量传输。发射器和接收器通过人体形成一个“电容电路”,使能量能够从身体的一部分(如发射器佩戴的位置)传输到另一部分(如接收器所在的设备)。比如,一个发射器可以在手腕上,接收器可以在手指或脚上,这样能量就能传递过去。</li> </ul> </li> <li><strong>阻抗匹配技术</strong>: <ul> <li>为了让能量传输得更高效,技术团队使用了“阻抗匹配”技术。简单来说,人体的电阻特性会影响能量传输效果,如果发射器和接收器的电路与人体的电阻不匹配,能量就会浪费。阻抗匹配技术能够让这些设备更好地适应人体的电阻特性,减少能量损失,让传输效率更高。</li> </ul> </li> <li><strong>小型接收器板</strong>: <ul> <li>接收器设备非常小巧,通常像一个小贴片一样贴在皮肤上。它们通过皮肤接触吸收人体传来的能量,并将这些能量储存在设备内部的电容器中,给设备提供电力。这些接收器板可以驱动不同类型的小型设备,比如显示屏、传感器、无线通信模块等。</li> </ul> </li> <li><strong>多设备同时供电</strong>: <ul> <li>一个发射器可以同时为多个设备供电,比如在手腕上戴一个发射器,就能为手指上的几个小设备供电。这种能量分配不会让设备之间“抢能量”,每个设备都能获得足够的电力来运行。</li> <li>该技术的另一个优点是,能量可以穿过衣物传输。例如,如果发射器放在口袋里,通过衣物也能为设备供电,这使得使用场景更加灵活。</li> </ul> </li> </ol> <img class="aligncenter size-full wp-image-14674" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9cqDVWgAA_H8R.jpg" alt="" width="1106" height="648" /> 实验表明,这种能量传输在短距离(例如从手腕到手指)效果最好。在这种情况下,接收器可以接收到高达1500微瓦的功率,能够支持设备长时间稳定运行。这对于日常佩戴的可穿戴设备,如智能手环、戒指控制器或耳环等,十分适用。 1500微瓦(即1.5毫瓦)的能量虽然看似不多,但对于许多小型可穿戴设备来说是足够的。这样的功率足以驱动一些低功耗设备,如传感器、LED灯、简单的微处理器或蓝牙模块。这意味着通过这种技术,小型设备可以不依赖电池,通过人体直接获取电力。 <img class="aligncenter size-full wp-image-14669" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9e0sJWwAA3NTk.jpg" alt="" width="1200" height="558" /> 虽然这个功率并不适合大功率设备,但对于间歇性使用或低功耗的传感器来说,已经足够维持其工作。比如,一些设备只需要偶尔唤醒、读取数据或发送信息,这样的功率可以确保设备持续工作,并保持小巧的设计。 由于这种技术可以减少设备对电池的依赖,甚至可以完全取消电池,这就意味着设备可以设计得更小、更轻、更便捷,尤其适合需要佩戴在身体上的设备。 Power-over-Skin技术可以为各种分布在人体不同部位的小型无电池设备供电,具体包括以下类型的设备: <ol> <li><strong>输入控制设备</strong>:例如控制环(controller ring),可以通过蓝牙传输用户输入,用于控制其他设备,比如电视或AR/VR设备中的交互。</li> <li><strong>装饰性设备</strong>:例如发光耳环,通过接收传输的能量驱动LED发光,展示出装饰性和功能性结合的设计。</li> <li><strong>生物传感器</strong>:如体温监测贴片(temperature patch),可以持续监测人体体温并记录数据,适用于长期健康监测。</li> <li><strong>太阳暴露监测器</strong>:带有电子墨水显示屏的设备,用于记录和显示紫外线暴露情况,帮助用户了解他们的日常太阳暴露量。</li> <li><strong>微型计算设备</strong>:可以为微控制器(如BLE微控制器)供电,使其支持无线通信、数据处理等功能。这类设备可以执行短期的任务,如感应、计算、数据传输等。</li> <li><strong>贴片式医疗设备</strong>:可以应用于各种生物信号监测设备,如心电图(ECG)传感器,用于健康监测或病情跟踪。</li> <li><strong>可穿戴显示器</strong>:如集成电子墨水屏幕的设备,可以用于显示健康数据、通知信息等,适合轻量且长时间使用的场景。</li> <li><strong>计算器等基础设备</strong>:技术演示中改装了一台普通计算器,移除了电池后通过Power-over-Skin供电,实现了基础的计算和显示功能。</li> </ol> Power-over-Skin 技术已经展示了在耳环、戒指、体温监测贴片等设备上的应用,未来可以进一步扩展到如智能眼镜、智能隐形眼镜、触觉手套等新型可穿戴设备上,让这些设备也能通过人体供电。 安全方面,研究团队表明其射频功率远低于安全标准,因此不会对人体造成危害。 <img class="aligncenter size-full wp-image-14668" src="https://img.xiaohu.ai/2024/10/GZ9fJnQWwAA6el6.jpg" alt="" width="1200" height="672" /> 项目介绍:<a href="https://www.figlab.com/research/2024/poweroverskin" target="_blank" rel="noopener">https://www.figlab.com/research/2024/poweroverskin</a> 论文:<a href="https://drive.google.com/file/d/17qtaXyanAeJqdw0Rrbnp-YJJgXEy5sqx/view" target="_blank" rel="noopener">https://drive.google.com/file/d/17qtaXyanAeJqdw0Rrbnp-YJJgXEy5sqx/view</a>