Инженеры из Вашингтонского университета (США) разработали сотовый телефон, который работает без встроенного источника энергии (то есть без батареи). Он получает необходимые 3,48 микроватта (максимум) по радио со вспомогательной радиостанции, которая находится на расстоянии до 9,4 м. Если же присутствует источник света, то дополнительную энергию дают фотоэлементы, за счёт чего можно удалиться от базовой станции на 15,2 м.
Исследователи считают, что их работа станет первым шагом к созданию полноценного мобильного телефона без батарей, который сможет работать даже в отсутствие вспомогательной радиостанции. В конце концов, в городском пространстве и так очень много излучений, которые можно превращать в электричество.
Группе инженеров удалось сократить до минимума потребление энергии мобильным телефоном. Для этого они применили ряд инновационных решений. «Мы построили, на наш взгляд, первый в мире функциональный сотовый телефон, который почти не потребляет энергии, — говорит Шьям Голлакота (Shyam Gollakota), доцент Школы информатики и инженерных наук при Вашингтонском университете, соавтор научной работы. — Чтобы достичь такого очень, очень маленького энергопотребления, чтобы ваш телефон мог получать энергию из окружающей среды, нам пришлось фундаментально переосмыслить принципы конструкции таких устройств».
Нужно заметить, что сейчас существует много различных электроннных приборов, которые отлично обходятся без элементов питания, потребляя энергию окружающей среды — радиоволны, солнечный свет, вибрации, тепло человеческого тела (разницу температур) и т. д. Но обычно это маломощная электроника, вроде разнообразных сенсоров, которые работают спорадически. То есть они длительный срок (минута или две) накапливают энергию, а потом «просыпаются» и совершают некую полезную работу, после чего опять переходят в режим накопления энергии. Мобильный телефон в режиме разговора должен работать постоянно, так что здесь энергопотребление гораздо больше: «Вы не можете сказать „Привет!”, а потом ждать минуту, пока телефон накопит достаточно энергии для продолжения передачи, — метко заметил Брайс Келлог (Bryce Kellogg), докторант по электротехнике Вашингтонского университета, ещё один соавтор научной работы. — Это была самая большая сложность. С окружающих радиоволн или света вы обычно можете получить в районе от 1 до 10 микроватт, не больше. Так что для разговора в реальном времени нужно было разработать принципиально новый подход для передачи и получения речи». И такой подход придумали. Разработчикам удалось избавиться от одного из самых прожорливых процессов в электронных компонентах сотового телефона — аналогово-цифрового преобразования.
В телефоне нет микросхемы АЦП. Вместо этого антенна телефона подключается к электретному микрофону — и его вибрации преобразуются в изменения стандартного аналогового радиосигнала для базовой станции. В режиме приёма изменения сигнала преобразуются в вибрации динамика, а в режиме передачи механические вибрации диафрагмы с электростатическим зарядом на электретном микрофоне через радиочастотный переключатель напрямую преобразуются в изменения радиосигнала антенны. Такое преобразование практически не потребляет энергии.
Схема передачи голоса (слева) и приёма (справа)
Как считают эксперты из IEEE Spectrum, такая конструкция частично создана по образцу устройства пассивной прослушки, установленного российскими разведчиками в стол посольства американского посла в Москве в 1940-е годы.
Недостаток подобного подхода в том, что пользователю необходимо нажимать кнопку, чтобы переводить телефон из режима приёма в режим передачи — и обратно (полудуплекс). Но этот недостаток компенсируется огромным сокращением энергопотребления.
Базовые станции для трансляции подходящего радиосигнала для «подпитки» телефона, можно интегрировать в существующие WiFi-маршрутизаторы, которые и так установлены почти в каждой квартире.
Авторы доказали, что из коммерчески доступных комплектующих можно собрать телефон, энергопотребление которого исчисляется микроваттами. Теоретически, такой телефон в самом деле может работать и без батареи, и без дополнительной базовой станции, просто собирая энергию из окружающей среды. Этого достаточно, чтобы передавать голос и данные, а также реагировать на ввод данных с клавиатуры. В лабораторных условиях инженеры смогли совершить звонок по Skype и поговорить с абонентом.
Пока что это лишь первый прототип, но изобретённые методы экономии энергии могут найти применение в устройствах будущего от других производителей. В конце концов, если людям и нужно какое-то электронное устройство, которое вечно работает без батареек, то это — мобильный телефон.
В ближайшее время разработчики намерены внедрить в «телефон без батареек» схему шифрования связи, увеличить расстояние от базовой станции, добавить дисплей на электронных чернилах и возможность трансляции видео.
Научная работа опубликована 1 июля 2017 года в журнале Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies (doi:10.1145/3090090, pdf).
Автор: alizar
