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這才叫真正的無線充電:微軟可見光自動充電系統

「叮咚!」您有新訊息。

 

打開臉書看看跟朋友的聊天,點開臉書的影片連結看看。一邊聽音樂,一邊開了幾個遊戲玩玩。玩膩了之後,再用手機看看最近上映的《大英雄天團》,正看到興頭的時間,手機居然沒電了!真是討厭,我不是才剛剛充完電嗎?怎麼又沒電了?

 

為什麼需要無線充電?

 

上面這個場景相信大家都不陌生,頻繁使用智慧型手機時,最困擾使用者的其中一件事情,就是用沒多久就沒電了!其實當我們享受智慧型手機提供的便利背後,可都是極度耗電的設計呢!比方說手機內強大的硬體規格,像是多核心的處理器、繪圖處理器、大螢幕以及高速的無線網路,都十分地耗電。

 

尤其當我們同時連上網路觀看full HD的影片,或玩遊戲時,耗電量更是驚人。消費者不斷要求智慧型手機更小、更輕、更薄還要更快,然而我們的電池科技發展卻相對落後,無法有效地降低體積又提升儲電量。這就像是不斷要求農夫,要在更小的農地上種出更大、更好吃的水果一樣,除非每一塊田地的養份密度都更高才有可能!現有的行動電源雖然不失為一種解決辦法,但出門還要帶著一顆笨重的電池實在很不方便!因此無線充電的需求也就應運而生。

 

Nokia Lumia 920無線充電,圖片來源:ExtremeTech

圖一:Nokia Lumia 920無線充電。圖片來源:ExtremeTech

 

現存市場上已經有一些無線充電的智慧型手機,像是Nokia的Lumia 920或是Nexus 4,必須將手機放至於一塊特定的板子上才能充電。但現存的無線充電科技仍有許多問題。比方說要將WPC、A4WP以及PMA等充電規格的統一,就吵得沸沸揚揚。

 

目前最常使用的是微波輻射系統,或是磁共振耦合系統。然而微波輻射系統所使用的能量較高,是否對人體健康有影響仍待觀察。因此微波輻射系統,經常使用在戶外空間、軍用裝置,或只允許極短距離的充電。

 

另外,微波的波長較可見光長,若在生活中常見的使用者情境下,能量容易四散而無法直線地、有效率地傳輸。假如我們希望手機放到哪裡,就充電到哪裡,現有的無線充電系統並不可行。

 

可見光自動充電系統

 

現有的科技並不能真的稱為無線充電,事實上只是把有形的線弄不見罷了,我們還是必須將手機置放在特定的區域。因此微軟的開發研究所,提出了利用可見光充電系統來達成「真正」無線充電的技術。

 

圖二:可見光充電系統,圖片來源:Mircrosoft Research

圖二:可見光充電系統。圖片來源:Microsoft Research

 

圖二是可見光系統設計概念的示意圖。首先利用一台相機,加上影像處理的演算法技術,準確偵測智慧型手機的位置。接著,利用控制系統,調整可見光照射的方向,最後是在智慧型手機上貼上透明的太陽能電池薄膜,就可以開始充電了!

 

乍聽之下十分簡單,但其中要克服的困難可不少。微軟的工程師們絞盡腦汁,模擬各式各樣的使用者情境,希望能夠盡量貼近使用者的使用習慣。我們平常可能會隨手把手機丟在桌上,或是跟其他文具重疊,甚至也會跟許多形狀類似的物體擺在一起。以上的使用者情境,都必須要有特殊的影像處理方法才能解決。

 

圖三:模擬使用者情境的辦公桌,圖中紅色框框就是成功辨識出來的智慧型手機,圖片來源:Microsoft Research

圖三:模擬使用者情境的辦公桌,圖中紅色框框就是成功辨識出來的智慧型手機,圖片來源:Microsoft Research

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圖四:可見光充電系統的雛形,相機的部分使用XBOX的Kinect偵測器,可以量測物體的深度並拍攝RGB的圖像。太陽能電池板,則是使用砷化鎵太陽能電池,相較於單矽與多矽太陽能電池具有較高的效率,圖片來源:Microsoft Research

 

 這⋯⋯有可能嗎?

 

聽到這樣的系統,讀者一定會問:「照光來充電有可能嗎?太陽能電池效率很低吧?」

 

讓我來簡單算給你看看!在圖四的雛形中,使用的T6 LED燈,砷化鎵太陽能板的功率輸出約為37.1mW/cm2;假設被充電的手機為Lumia 920,螢幕尺寸為13cm*7cm,因此充電功率輸出大約為3.38瓦特。若要充滿2000mAH的電池,僅需要2.5個小時。

 

相較之下若使用一般的充電器,功率輸出也不過介於2.5瓦特-5瓦特之間,因此這樣的系統技術上的確是可行的。那麼相機又該如何辨認手機有沒有電呢?關於這個問題,微軟工程師利用LED特殊的排列訊號,並通過一連串的邏輯決策,就能夠成功判斷出手機是否需要充電,或是已經充電完成了沒。

 

另外也會有讀者問,這麼強的可見光會不會很危險?如果在晚上會不會干擾睡眠?放心,微軟的工程師都幫你想到了!若使用T6 LED燈,功率密度大約是110mW/cm2,跟太陽光照的強度差不多而已,然而當我們「不小心」看到太陽時,眼皮必須花費超過100毫秒才會反應,比起來這個雛形系統只花不到50毫秒(還可以再更好)就能偵測物體並關閉電源。如果是在晚上,可以將可見光充電轉為紅外線,雖然充電效果比較差,但人看不到就不會造成干擾了。

 

許多挑戰仍待克服

 

這樣的設計得歸功於先進的透明太陽能薄膜電池,然而在某些使用者情境仍無法適用。比方說使用者將手機放到口袋中,或是文件將手機整個覆蓋住。另外,可見光充電系統並不會到處都有,但隨身的旅行充電器有插座就可以使用。因此微軟並不期待這項產品短時間內,可以取代所有的充電裝置。然而相較於一般的無線充電技術,在戶內使用可見光充電系統,將會方便很多!

 

目前這項概念的雛形距離產品化仍有一段距離,比方說該如何整合裝置,將相機、控制系統、處理器、LED都組合在一起。現有的智慧型手機,也尚未配置太陽能薄膜電池。然而若開發出這項技術,對於產品開發週期短的智慧型手機,並不會是太大的問題。也許不久之後,家裡再也不需要惱人的電線充電器,我們就可以隨時隨地盡情使用智慧型手機了!

 

 

參考資料

  1. Microsoft Research: AutoCharge: Automatically Charge Smartphones Using a Light Beam
  2. IEEE Spectrum: AutoCharge is Microsoft Research’s Take on Wireless Charging with Light
  3. Computer World: Microsoft researchers use light beams to charge smartphones

封面圖片來源:KISAE TECHNOLOGY

About 許 瑞福

許 瑞福
許瑞福,台大電機系畢業,目前就讀台大電信所碩士班,同時擔任維京人酒吧營運長、美商英特爾公司實習生、現任行政院青年諮詢委員會委員、並曾為《與其替老闆賣命,不如為自己拚命:台灣科技創新教父給青年的20堂創業課》一書擔任撰稿作者。曾經於大四時短暫擔任一家公司的商業顧問,並在上百位政府官員、企業家、創投面前進行英文募資簡報。時常沉浸於科技與人文之間的奇思繆想,對教育議題充滿熱忱,期許自己左手接電路板右手寫文章。平日熱愛與人討論任何事務,思考不同觀點,有任何想法指教歡迎來信:[email protected]
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