再見電線... MIT 示範無線電力傳輸

(原文轉載自 痕跡... 再見電線... MIT 示範無線電力傳輸)

Goodbye wires... MIT experimentally demonstrates wireless power transfer
http://www.physorg.com/news100445957.html

想像這麼一種未來，在其中無線電力傳輸確實可行：手機、家事機器人、
mp3 player、筆電以及其他可攜式裝置都能夠自行充電，而不在需要插入插
座，讓我們從不可更改的、到處存在的電線當中解放。某些裝置當中，或許
不在需要厚重的電池來運作。

MIT 物理系、電子工程系與電腦科學系與 ISN（軍事奈米科技研究所）所組
成的一個團隊，已經實驗性的示範了達到這種未來願景相當重要的一步。該
團隊由 Marin Soljacic 教授領軍，由於從最近的理論性質預言獲得領悟，
他們能夠從離電源 2 公尺之外的地點點亮一顆 60W 的燈泡，兩者之間並沒
有物理性連接。MIT 將其概念稱為 WiTricity（wireless electricity 的
簡稱）。這項研究將會在 6/7 該期的 Science Express 上報導，亦即
Science 的線上優先發表版。

故事開始於幾年年的一個夜晚，Soljacic（發音：蘇業齊）穿著他的睡衣，
凝視放在廚房角落的手機。"那個月我被手機的嗶聲提醒約六次，讓我知道
我又忘了充電了。如果它能夠自行充電那對我而言真的很棒。" 為了讓這件
事能夠成功，必須要找到一種方式以無線方式傳輸電力，所以 Soljacic 開
始考慮關於哪種物理現象能夠讓此事成真。

幾世紀以來我們已知數種無線傳輸電力的方式。或許最為人所知的例子是電
磁輻射，例如無線電波。雖然這種輻射對於資訊的無線傳輸十分理想，不過
對於電力傳輸則否。因為輻射會朝各個方向四散，所以在自由空間中，電力
必定會大量消耗。你或許會想到可以使用指向性電磁波輻射，例如雷射，不
過那並不太實用，而且甚至會有危險。它需要傳送與接收端之間，不被攔截
的 "視直線（line-of-sight）"，且當裝置會移動時，更需要老練的尋跡機
制（tracking mechanism）。

相較之下，WiTricity 使用耦合共振物體（coupled resonant objects）。
具有相同頻率的二個共振物體，能有效的交換能量，而且與外來非共振物體
的互動微弱。擺動（swing）是共振機制的其中一種，所以當小女孩以自然
的頻率使擺動動她的腳，她能夠傳送真實的能量。

另一個例子是聲學共振：想像一間有 100 個獨立酒杯的房間，每一個裝了
不同程度的酒，所以它們有不同的共振頻率。如果一位歌劇演唱者在此房間
當中發出夠大的單音，頻率相符的酒杯將會累積足夠的能量，甚至爆裂，而
這不會影響其他玻璃杯。在任何耦合共振的系統中，它們之間通常存有一種
稱為 "強烈耦合（strongly coupled）" 的運作區（regime of operation
）。如果能在一個系統當中確保在此區域內運作，能量傳遞將十分有效率。

由於這些情況對於各種種類的共振一體適用，MIT 的團隊聚焦在特定的類型
上：帶磁性耦合共振器（magnetically coupled resonators）。該團隊探
索一個具有二個電磁共振器的系統，大部分都是透過其磁場耦合在一起；它
們能確認出該系統之中的強烈耦合區，即便二個共振物體的距離比其尺寸要
大上好幾倍。透過此法，能有效傳輸電力。磁性耦合特別適合日常運用，因
為大部分常見物質與磁場的互動十分微弱，故與環境外部物體的互動甚至會
更加被壓抑。"磁場互動如此微弱的這項事實，對於有機生物的安全考量來
說來說十分重要，" Kurs，物理系的畢業生指出這點。

研究用設計由二個銅線圈構成，每一個都是自我共振系統。一個線圈接上電
源，成為發送端。它並非在環境中佈滿電磁波，相反的，它以非輻射磁場，
在百萬 Hz 的頻率震動。這種非輻射場會與另一個線圈（接收端）交換能量
，它特別設計成會與這個場共振。

共振的天性可確保發送與接收端的互動強健，同時與其他環境的互動微弱。
Moffatt，MIT 的物理系學生解釋："使用非輻射場的關鍵優勢在於大部分未
被接收線圈拾取的能量都仍束縛在傳送端，而不會輻射到環境當中而喪失。
" 透過這種設計，電力傳輸有其範圍限制，而且尺寸較小的的接收者，其距
離會比較短。然而，對於筆電大小的線圈，其電力等級，在房間般大小的距
離下，綽綽有餘，且沒有方向限制，即便二方線圈在非視直線範圍內亦可。
Fisher 指出："As long as the laptop is in a room equipped with a
source of such wireless power, it would charge automatically,
without having to be plugged in. In fact, it would not even need
a battery to operate inside of such a room." 最後，這可以減少我們
對於高價、沈重電池的依賴。如同電子電機系畢業生 Karalis 所提到的，
磁性耦合共振的效率要比一般共振磁力的引介要有效 100 萬倍。

WiTricity 是以眾所皆知的物理定律來運作，為何之前都沒有人想到呢？
Joannopoulos 指出是因為大家過去對此模式的系統需求並不強烈，因此也
沒有動機去探究的緣故。並提到過去數年來因為可攜式裝置大量增加，導致
需要充電的需求也大增。

至於 Soljacic 該研究的希望是... "Hopefully, we will be getting
rid of some more wires, and also batteries, soon."

※ 不過應當規範出一個標準，才不會製造出具有相同共振能力的產品，特
別是醫療用途的產品。另外敵軍也可能利用這種原理來破壞具有相同共
振能力的設備。

＊ Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic
Resonances
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1143254
Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J. D.
Joannopoulos, Peter Fisher, Marin Soljacic
Science Express Published Online June 7, 2007
DOI: 10.1126/science.1143254

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