一种为可穿戴设备无线供电的新方法

2021-07-09 17:16:57
导读 可穿戴技术的进步正在重塑我们的生活、工作和娱乐方式,以及医疗保健的提供和接收方式。已进入日常生活的可穿戴设备包括智能手表和无线耳机

可穿戴技术的进步正在重塑我们的生活、工作和娱乐方式,以及医疗保健的提供和接收方式。已进入日常生活的可穿戴设备包括智能手表和无线耳机,而在医疗保健环境中,常见设备包括可穿戴注射器、心电图 (ECG) 监测贴片、助听器等。

使用这些可穿戴设备面临的一个主要痛点是保持这些设备正确和方便地供电的问题。随着一个人使用的可穿戴设备数量的增加,对多个电池串联充电的需求也随之增加,从而消耗大量电力。许多用户发现每天为大量设备充电很麻烦,并且当电池耗尽时会出现不便的服务中断。

由新加坡国立大学 (NUS) 电气与计算机工程系和 N.1 健康研究所的 Jerald Yoo 副教授领导的研究小组已经开发出解决这些问题的方法。他们的技术使单个设备(例如放在口袋中的手机)能够以无线方式为用户身体上的其他可穿戴设备供电,使用人体作为电力传输的媒介。该团队的新型系统还有一个额外的优势——它可以从典型的家庭或办公室环境中的电子设备中收集未使用的能量来为可穿戴设备供电。

他们的成就于2021 年 6 月 10 日首次发表在《自然电子》杂志上。这是现有电子可穿戴设备文献中的第一个此类成果。

利用人体作为能量传输的媒介

为了延长电池寿命并维持可穿戴设备的完全自主但无线操作,需要电力传输和能量收集方法。然而,为身体区域可穿戴设备供电的传统方法受到功率可以传输的距离、能量可以在没有障碍的情况下传播的“路径”以及能量运动的稳定性的限制。因此,目前的方法都无法为放置在整个人体周围的可穿戴设备提供可持续的电力。

NUS 团队决定通过设计一种接收器和发射器系统来扭转这些限制,该系统使用无线供电中的障碍——人体——作为电力传输和能量收集的媒介。每个接收器和发射器都包含一个芯片,用作跳板以扩展整个身体的覆盖范围。

用户只需将发射器放在单一电源上,例如用户手腕上的智能手表,而多个接收器可以放置在人体的任何位置。然后,该系统利用来自电源的能量,通过称为身体耦合功率传输的过程为用户身体上的多个可穿戴设备供电。通过这种方式,用户只需为一个设备充电,其余佩戴的小工具可以同时从该单一电源供电。该团队的实验表明,他们的系统允许一个充满电的电源为多达 10 个身体上的可穿戴设备供电,持续时间超过 10 小时。

作为补充能源,新加坡国立大学团队还研究从环境中获取能量。他们的研究发现,典型的办公室和家庭环境中存在人们一直接触到的寄生电磁 (EM) 波,例如来自运行中的笔记本电脑。该团队的新型接收器从周围环境中清除电磁波,通过称为身体耦合供电的过程,人体能够收集这种能量来为可穿戴设备供电,而不管它们在身体周围的位置。

为更小、无电池的可穿戴设备铺平道路

谈到团队方法的好处,Yoo 副教授说:“电池是可穿戴设备中最昂贵的组件之一,它们增加了设计的体积。我们独特的系统有可能省略对电池的需求,从而使制造商能够“在显着降低生产成本的同时使小工具小型化。更令人兴奋的是,没有电池的限制,我们的开发可以实现下一代可穿戴应用,例如心电图贴片、游戏配件和远程诊断。”

NUS 团队将继续提高其发射器/接收器系统的供电效率,希望未来任何给定的供电设备,无论是用户的手机还是智能手表,都能满足所有其他可穿戴设备的网络供电需求在身体上,从而使电池寿命更长。

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