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近日，美國華盛頓大學工程師團隊首次開發出一種採用激光為智能手機安全充電的新方案，充電速度有望媲美標準的USB線。
背景
如今，各式各樣的移動設備、智能硬件、物聯網終端設備，讓我們的工作和生活都變得更加便捷。 但是，電池一直是 影響這些設備的性能和用戶體驗的關鍵瓶頸之一。 例如，續航時間短、需要反复連接電源充電，都是我們經常會遇到的問題。
創新
近日，美國華盛頓大學工程師團隊首次開發出一種採用激光為智能手機安全充電的新方案。 去年12月，團隊在 美國計算機協會 關於交互、移動、可穿戴和普適技術的會議上發表了一篇論文。 在論文中，團隊描述了採用一束來自激光發射器的狹窄的可見光光束，跨越房間為智能手機充電，充電速度有望媲美標準的USB線。
（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學）
論文合著者之一、 華盛頓大學 Paul G. Allen 計算機科學與工程學院副教授 Shyam
Gollakota 和論文合著者之一、華盛頓大學物理與電氣工程系助理教授 Arka Majumdar 領導的研發團隊，設計出這種無線充電系統及其安全功能。 論文的合著者還包括華盛頓大學 Allen 學院博士研究生 Rajalakshmi Nandakumar 。 這項研究由美國國家科學基金、 艾爾弗·斯隆基金 和谷歌教授科研獎贊助。
技術
為了實現這一方案，團隊在智能手機背面安裝了一個電池，它可以利用激光的能量為智能手機充電。 此外，團隊還定制設計了安全功能，包括在智能手機上安裝一個平面的金屬 散熱器， 驅散來自激光的多餘熱量；還有一個基於反射器的機制，如果有人想要通過充電光束路徑時，激光會被關掉。
Shyam
Gollakota 表示：“安全是我們系統設計的關鍵。我們設計、製造並測試了這種 具有快速響應安全機制的 激光充電系統，它確保有人進入激光路徑時，激光發射器將關閉充電光束。 ”
Majumdar 表示：“除了快速關閉充電光束的安全機制，我們平台包括了一個 散熱器， 用於驅散充電光束產生的多餘熱量。 這些功能讓我們的無線充電系統具有魯棒的安全標準，從而可以應用於各種商業和家居配置。 ”
團隊配置激光發射器，使之 產生 近紅外波段 的聚焦光束，用於充電。 關閉 充電光束的安全系統，是基於低功率、不致傷的激光“保護光束”。 與充電激光束處於相同位置 的 另外一個激光光源 ，激發 出“保護光束”，物理上“圍繞著”充電光束。
（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學）
3D打印的定制“激光反射器”，安裝在智能手機電池的周圍，將保護光束反射回激光發射器上的光電二極管。
（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學）
保護光束本身無法為智能手機充電，但是它們可以從智能手機反射回發射器，使它們像“傳感器”一樣，當有人移動到保護光束的路徑中時，便可以被感知到。 當任何物體（例如人體的一部分）與其中一個保護光束接觸時，研究人員設計的激光發射器就會關閉充電光束。 保護光束一旦被阻擋，會被迅速感知到，基於幾十年的生理學研究，可以檢測到最快速的人體運動。
Gollakota 表示：“保護光束比我們最快速的移動更快，因為這些光束能夠以光速反射回發射器。因此，當保護光束被人體運動阻礙時，激光器可以在幾分之一秒時間內檢測到，並且 在人體與光束髮生接觸之前，部署 遮光器 阻止充電光束。 ”
Majumdar 表示，下一代納米光學設備，有望在 千兆赫 頻率下運行，使得激光器的響應時間減少到納秒。
光束通過手機背面的電池為智能手機充電。 一束窄光可為4.3米距離之外、15平方英寸的面積，提供2瓦的穩定電力。 但是，經過修改後，反射器產生的充電光束的覆蓋半徑將得以擴展，可為12米之外、100平方厘米的面積，提供電力。 這意味著，改善發射器將可以覆蓋更寬的充電錶面，例如 計算器 或者平板電腦，為處於那個表面之上任何位置的智能手機充電。
研究人員對智能手機進行編程，使之發出高頻聲學“鳴叫”，標誌它的位置。 我們的耳朵無法聽到這些聲音，但是，激光發射器上的小型麥克風足夠靈敏，可以檢測到這些信號。
華盛頓大學博士生、 論文合著者之一 Vikram Iyer 表示：“這種聲學定位系統，保證發射器可以檢測到用戶將智能手機放置到充電錶面上，它可以是一個普通位置，就像房間中的桌子一樣。”
當發射器檢測智能手機位於期望中的充電錶面上時，就會打開激光，開始為電池充電。
論文領導作者之一、華盛頓大學電氣工程系博士研究生 Elyas Bayati 表示：“光束的充電速度如同將你的智能手機插入USB端口一樣。但是，你無需將手機插入端口，你只需要將它簡單地放置在桌子上。”
為了確保充電光束不會過度加熱手機，團隊也在智能手機背部電池周圍安裝了薄薄的鋁條。 這些鋁條就像一個散熱器，將充電光束多餘的熱量驅散掉，讓激光器能夠為智能手機充電幾小時。 他們甚至通過在散熱器鋁條上，安裝幾乎扁平的熱電發電機，採集小部分熱量，為智能手機充電。
（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學）
價值
研究人員相信，他們開發的這種魯棒的安全和散熱功能，將保證為其他設備，例如攝像頭、平板電腦、甚至是桌面計算機，提供基於激光的無線充電。 這樣一來，為智能手機、平板電腦或者筆記本電腦充電的例行任務，有朝一日將被更簡單的方式取代，將它們放在桌子上就可以了。
關鍵字
參考資料
【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
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