2007年11月7日 星期三

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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1 意見:

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  1. 風痕影 提到...

    期待這項科技很久了...
    小時候從哆啦A夢裡有看到類似的想法 XD

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