飛行中的無人機(jī)、正在移動(dòng)的智能機(jī)器人，都可以遠(yuǎn)程隔空充電，科幻小說里描述的場景有望成為現(xiàn)實(shí)。
近日，由西安電子科技大學(xué)教授李龍課題組與中國科學(xué)院院士、東南大學(xué)教授崔鐵軍課題組共同研發(fā)的一種自適應(yīng)無線傳能技術(shù)，可以用類似Wi-Fi的無線傳輸方式，將無線能量實(shí)時(shí)、高效地聚焦并傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)的終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)無電池供電的感知、計(jì)算和通信。
在李龍看來，這項(xiàng)研究是面向無線傳能、感知、通信一體化領(lǐng)域的探索，未來有望為萬物智聯(lián)的傳感器設(shè)備進(jìn)行無線供電。相關(guān)論文發(fā)表于《自然·通訊》。
邊移動(dòng)邊充電
無人機(jī)廣泛應(yīng)用于高空拍攝、物流配送、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救援等諸多領(lǐng)域，機(jī)器人、可穿戴設(shè)備等智能硬件也走進(jìn)人們的生活，但續(xù)航能力卻始終制約其進(jìn)一步發(fā)展。如何為這些智能設(shè)備提供可靠、持久的能源供給，成為亟待解決的技術(shù)難題。
無線能量傳輸技術(shù)的突破，意味著未來的智能設(shè)備有望擺脫傳統(tǒng)電池和有線充電設(shè)施。
“我們針對精確近場無線定位、自適應(yīng)無線能量傳輸、高效無線能量收集等問題，構(gòu)建了一種基于雙頻超表面、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近場定位的自適應(yīng)無線傳能網(wǎng)絡(luò)。它能進(jìn)行同步的目標(biāo)感知定位和波束調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)追蹤的無線能量傳輸。”李龍說，這項(xiàng)研究在動(dòng)態(tài)無線能量傳輸和無線定位領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
據(jù)了解，傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)主要依賴于近距離、接觸式的電磁諧振感應(yīng)，其效率和適用范圍受到空間、距離、環(huán)境、設(shè)備等制約。
李龍課題組研究的基于電磁超表面的輻射式無線能量傳輸與接收技術(shù)有望突破這一瓶頸。這種技術(shù)宛如“智慧大腦”，它能通過目標(biāo)感知和環(huán)境交互實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)整電磁波傳輸參數(shù)，并根據(jù)周圍環(huán)境變化及設(shè)備實(shí)時(shí)需求，提高無線能量傳輸效率，精準(zhǔn)且高效地為設(shè)備輸送能量。
與傳統(tǒng)的無線充電方式相比，自適應(yīng)追蹤的無線能量傳輸技術(shù)有望支持無人機(jī)、智能機(jī)器人等終端設(shè)備，在移動(dòng)過程中進(jìn)行穩(wěn)定、高效的非接觸式無線充電。團(tuán)隊(duì)成員、西安電子科技大學(xué)博士生夏得校說，這項(xiàng)技術(shù)是電磁超表面在無線傳能領(lǐng)域的創(chuàng)新和突破，促進(jìn)信息超表面研究沿著智能化、多功能方向發(fā)展。
厘米級跟蹤定位
如何精準(zhǔn)定位移動(dòng)中的智能設(shè)備？這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程隔空充電的關(guān)鍵。
研究人員將超表面能量接收整流過程中產(chǎn)生的二階諧波作為定位信號進(jìn)行反饋，結(jié)合超表面時(shí)空編碼技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首次在單發(fā)單收系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了3厘米分辨率的近場定位精度。
研究人員介紹，他們構(gòu)建了一款雙頻共口徑的可編程超表面，用于實(shí)現(xiàn)全雙工的輻射調(diào)控和目標(biāo)感知。他們還設(shè)計(jì)了用于無線供電的傳感器終端，由此對射頻能量進(jìn)行高效收集和直流轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無電池的環(huán)境數(shù)據(jù)感知和計(jì)算，并將感知的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙進(jìn)行上傳。最終，研究人員利用雙頻超表面上的陣列，對來自終端設(shè)備的定位信號進(jìn)行時(shí)空編碼調(diào)制。在前期完成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)現(xiàn)快速分類及精確獲取位置信息。
夏得校說，在這一系統(tǒng)中，超表面不僅能實(shí)現(xiàn)精確的目標(biāo)定位，還能根據(jù)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境和目標(biāo)，進(jìn)行靈活的能量聚焦，實(shí)現(xiàn)跟蹤式隔空輸能。
無線充電技術(shù)的前景廣闊，隨著規(guī)模化生產(chǎn)和技術(shù)升級迭代，其應(yīng)用成本也將逐步降低。經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的無線充電技術(shù)，可為大型智能倉儲、可植入醫(yī)療設(shè)備及低空經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域提供更便捷的充電解決方案。
“我們的研究通過引入信息超材料技術(shù)，為非接觸式設(shè)備能量信息同傳提供了一套高效且可行的解決方案。這一探索不僅能拓寬學(xué)術(shù)視野，更有望加速無線充電技術(shù)在未來應(yīng)用場景中的實(shí)踐與普及。”李龍說，自適應(yīng)無線傳能技術(shù)將推動(dòng)6G物聯(lián)網(wǎng)、信息超表面、智能無人機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，具有應(yīng)用潛力。 （王禹涵）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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