不摘智能手表就能充電，這項研究讓人體變電線

昵稱535749 2021-07-17

展開全文

智東西昨天

關(guān)注

利用人體導電性，給智能穿戴充電。

健康監(jiān)測功能逐漸成為大家使用智能穿戴重要原因之一。智能穿戴設(shè)備需要取下來充電，這會影響監(jiān)測健康數(shù)據(jù)的完整性。

近日，美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究人員設(shè)計了一種無需取下智能穿戴設(shè)備就可以充電的新解決方案，名為ShaZam。

ShaZam其中的原理涉及體內(nèi)能量傳輸（Intra-Body Power Transfer，IBPT）技術(shù)，利用人體作為傳輸電力的媒介，實現(xiàn)在用戶與日常物品交互時以無線方式為可穿戴設(shè)備充電。

該研究論文題目為《ShaZam一種通過人體體內(nèi)能量傳輸技術(shù)，利用日常物品為智能穿戴設(shè)備充電方案（ShaZam:Charge-Free Wearable Devices via Intra-Body Power Transfer from Everyday Objects）》，于6月24日發(fā)表在國際計算機學會（ACM）會議錄上。

論文鏈接：

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

01 保證人體安全情況下，讓電能流入流出

雖然在20世紀90年代IBPT的概念就被引入，但是可行性評估及現(xiàn)實應(yīng)用等方面的探索還不是很多。與IBPT相關(guān)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是，在電流正向流入人體和反向流出人體的過程保證人體的安全。

受體內(nèi)通信（IBC）領(lǐng)域的啟發(fā)（IBC是一種把人體當作電纜，利用通信裝置進行雙向數(shù)據(jù)通信的技術(shù)），利用人體充電有兩種潛在的解決方案，一是以人體為前向路徑，利用準靜態(tài)近場電容耦合建立信號返回路徑的電容耦合方法，二是視人體為有耗導電介質(zhì)的電容耦合方法。

在電容耦合方法中，功率發(fā)射器和接收器都將具有一個電極（稱為皮膚電極）與人體建立電容耦合和一個浮動的金屬板（稱為接地電極）在空氣中建立另一個與環(huán)境的電容耦合（包括兩個接地電極之間的寄生耦合）。

在這種配置中，人體周圍的時變電場可以近似為一個均勻的相場，它會誘導電流流過人體組織，從而傳遞能量。

▲利用人體導電的示意圖

美國馬薩諸塞大學研究人員的ShaZam智能穿戴設(shè)備充電解決方案，就采用這種電容耦合機制，其中正向電路構(gòu)建方式是通過干燥的銅材質(zhì)電極讓射頻信號進入身體組織，返回電路則通過一對漂浮在空氣中的銅制金屬電極與周圍環(huán)境之間的固有自然電容建立。

研究人員實驗了在人與三種不同設(shè)備（臺式機外接鍵盤、筆記本上的鍵盤和汽車方向盤）接觸時，這些設(shè)備通過人體導電，將電力傳輸給腕戴式智能設(shè)備。

▲研究人員采用3種日常設(shè)備進行實驗

研究人員設(shè)計的這種充電方案目前可以支持Fitbit Flex和小米手環(huán)等超低功耗健康追蹤器，但還無法支持為像Apple Watch這種功耗高的可穿戴設(shè)備充電。

02 ShaZam指標、設(shè)備區(qū)別于其他無線充電

其實無線充電已經(jīng)不算一項新技術(shù)了，各大手機及智能穿戴廠商都大秀其無線充電技術(shù)，像今年小米、OPPO發(fā)布了它們自己研發(fā)的無線充電技術(shù)。

無線充電是指利用磁感應(yīng)、磁共振以及電容耦合等機理實現(xiàn)電源到負荷的近場電力傳輸技術(shù)。

無線電力傳輸方法大致分為兩類：一類是使用可以接收和發(fā)射無線電的天線，對進行能量傳輸?shù)纳漕l無線充電，另一類是使用儀器化的基礎(chǔ)設(shè)施，可創(chuàng)建允許成對設(shè)備建立耦合的電場或磁場的電磁耦合無線充電（具體有電磁感應(yīng)無線充電和電磁諧振無線充電兩種略有區(qū)別的充電方式）。

射頻無線充電設(shè)備要么使用專用發(fā)射器/接收器進行周期性電能傳輸，要么從環(huán)境波源（如電視或廣播電臺）中收集電能。

像小米的隔空充電就是，隔空充電樁會有對設(shè)備進行空間定位用的相位干涉天線，探測設(shè)備位置，以及相位控制天線陣列，通過波束成形將毫米波定向發(fā)射給設(shè)備。設(shè)備端裝有信標天線，在空間場內(nèi)廣播設(shè)備位置信息，和接收天線陣列將充電樁發(fā)射的毫米波信號，通過整流電路轉(zhuǎn)化為電能。

電磁耦合無線充電技術(shù)研究，更多研究是關(guān)注電容和電感傳輸模式，它們在大房間內(nèi)產(chǎn)生電場或磁場，允許設(shè)備通過場耦合獲得功率。雖然比基于天線的充電系統(tǒng)更節(jié)能，但是需要對基礎(chǔ)設(shè)施進行大量改造，以確保電場或磁場可以無處不在地覆蓋所需的區(qū)域。

現(xiàn)在很多智能手表大多用這種電磁耦合無線充電方法，這些設(shè)備會通過磁場的無線磁路代替有線電線，實現(xiàn)電力的傳輸。充電時，充電器和被充電設(shè)備都得有線圈，而且兩者的線圈必須對齊，并在極近的距離下（觸碰）才能正常工作。

需要對齊線圈、距離限制、充電設(shè)備數(shù)量限制這三項限制了電磁感應(yīng)無線充電的發(fā)展。例如，華為的HUAWEI WATCH 3說明書中介紹，要確保2個方面操作正確才能順利安全的充電，一是需“將手表放置在充電底座上，使手表背面貼合充電底座，調(diào)整貼合度直到手表屏幕出現(xiàn)充電指示”，二是“在無線充電時，請使用專用底座并確保線圈正對”。

電磁諧振無線充電技術(shù)對位置和距離要求更低，有助于解決充電位置和充電數(shù)量等問題。像OPPO今年發(fā)布的隔空充電技術(shù)，就是采用電磁諧振傳遞能量，即使發(fā)射端與接收端的線圈位置沒有完全吻合，也可以保持充電。

ShaZam智能穿戴設(shè)備充電解決方案結(jié)合了射頻無線充電、電磁感應(yīng)和電磁諧振無線充電一樣都是利用了電磁原理進行充電，差異點在于它們使用的電介質(zhì)不同。電介質(zhì)可以分為自由空間、人造基礎(chǔ)設(shè)施和人體組織等等。而通過人體組織需要更注重其安全性。

ShaZam方案使用的電介質(zhì)不同，其各設(shè)備和指標的設(shè)計與常見的無線充電方法上有較大區(qū)別。

ShaZam方案包含的IBPT的工作原理嚴格限制人體組織直接耦合發(fā)射器和接收器的發(fā)射功率，從而最大限度地減小發(fā)射器的尺寸和對人體介質(zhì)的損耗。

03 無線充電需考慮對其他設(shè)備的影響

近場無線充電使用安全性方面是需要重點考慮。特別是在高頻（HF）范圍內(nèi)，入射時變電磁場（EMF）波會通過人體組織產(chǎn)生位移電流（即空間中電場的時間變化），這可能導致組織的熱損傷，因此需要對選定的工作頻率進行限制。

射頻無線充電暴露的另一個問題是，對主動/被動醫(yī)療植入物的電磁干擾以及對同樣用到射頻的設(shè)備會有影響。

工信部在今年2月發(fā)布的《無線充電(電力傳輸)設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定（征求意見稿）》中就有相關(guān)內(nèi)容規(guī)定，提到為了保護射電天文業(yè)務(wù)、保證船舶、航空器專用無線電頻率的使用安全，禁止在射電天文臺址的保護距離內(nèi)和船舶、航空器內(nèi)使用無線充電設(shè)備。

如何解決或者減少這些影響，同樣是智能穿戴無線充電需要考慮的事情。