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科幻驚悚電影《詭絲》中大膽設置了這樣一個場景：一個小男孩死去后被埋在電磁共振區，由于電磁共振效應可以源源不斷地給他的心臟補充能量，小男孩在能量場的防護下，尸體不會腐爛…… 影片編劇暢想電磁共振直接對生物體的心臟供能，未免太過于科幻了。電影雖是虛構，但因電磁共振興起的無線輸電技術，卻是地地道道的科技前沿，而且并非遙不可及。 
▲特斯拉線圈
▲無線輸電示意 無尾電器的到來 如果說無線輸電技術還屬科技前沿，但無線充電技術已來到我們身邊。手機、平板電腦、相機、筆記本……這些移動電子產品改變了我們的生活和娛樂方式。然而，這些移動電子設備都離不開電，走到哪兒都要充。伴隨著無線充電技術走進人們的視野，充電的煩惱可能即將一掃而光。 手機是最先引入無線充電技術的電子設備。華南理工大學電力學院副院長張波告訴《中國科學報》記者，現在已經涌現出了許多手機無線充電板，但在使用中還存在著充電距離、效率以及充電設備體積的問題。“但我個人認為，隨著人們對無線技術的認識和輸電水平的提高，在手機無線充電領域取得大的突破甚至產業化前景樂觀。” 據了解，目前手機的無線充電板多采用電磁感應方式進行電能傳輸，這種方式傳輸距離較短，給人“無線”的印象還不太明顯。 “手機的無線充電技術已經開始得到應用，將來還會有更新的突破與進展。”哈爾濱工業大學電氣學院副院長、智能測試及信息處理技術研究所所長朱春波在接受《中國科學報》記者采訪時透露，哈工大的研究團隊正在攻克較遠距離的手機無線充電技術。 事實上，手機無線充電只是作為應用于諸多小功率電子設備的代表，其實，無線充電技術的應用正延伸到更大功率的電氣設備上，例如，海爾即將上市的無線供電的無尾電視和無尾廚電。 與手機和無尾電視相比，人們對電動汽車無線充電的想象更加動人。 “電動車本身還沒有得到普及，電動汽車的無線充電更無從談起，但技術上還是越來越近了。”朱春波告訴記者，電動汽車有多種能量補充的形式，但對比傳統傳導式充電，無線充電在安全性和接口標準化方面具有無可比擬的優勢，這些優勢可能會促進電動汽車的普及。 美國新聞紀錄片《誰殺死了EV1》中的EV1是美國加州一款新型電動汽車，受到了地方政府和老百姓的喜愛。但是，在電影的結尾中這款產品被扼殺了，原來通用公司的大股東們都是石油巨頭，電動汽車的發展影響到了他們的利益，正是他們殺死了深受百姓喜愛的EV1。在這部紀錄片中，EV1最早用到了非接觸充電技術，憑著感應式充電器，充電時避免了人身傷害的危險，非常安全。 2012 年，美國斯坦福大學首次提出了“駕駛充電”的概念，為電動汽車充電提出了新的解決方案，這意味著電動汽車可以不必停下來充電而無限地跑下去。 設想一下，如果有一天，人們邊開車邊充電（需在道路設置無線充電裝置）、停進車庫按下按鈕也可以充電。屆時這種動態充電與靜態充電結合的電動汽車將變成不折不扣的“傻瓜”車。 在特殊應用領域，無線充電技術早已嶄露頭角。在水下（海底）移動裝備的非接觸電源接入、生物醫電、旋轉式設備、無線傳感器等方面，無線輸電技術正發揮著重要作用。 “目前，微小功率的無線輸電技術實際應用已經取得可喜的進步，研以致用，以用促研。可以預計，再用10到15年的時間，無線輸電技術必將得到大面積推廣應用。”重慶大學自動化學院黨委書記、電力電子與控制工程研究所所長孫躍對無線輸電技術充滿信心。 無線輸電的前世今生 盡管無線輸電技術在今天看來屬于前沿新興科技，但早在一百多年前，“無線輸電之父”尼古拉·特斯拉就對無線輸電展開了探索。 19 世紀末被譽為“迎來電力時代的天才”的尼古拉·特斯拉，曾致力于研究無線傳輸信號及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在紐約長島建造了無線電能發射塔（沃登克里弗塔），設想利用地球本身和大氣電離層為導體來實現大功率長距離的無線電能傳輸，可惜由于資金缺乏，這個塔最終并未建成。 2007年6月，美國麻省理工學院的馬林·索爾賈希克的研究小組宣布，利用電磁共振技術成功點亮了一個距離電源約2 米遠的60瓦電燈泡，電能傳輸效率達到了40%。該項技術的發布引起了世界范圍內磁諧振無線輸電裝置的研發熱潮，德國、日本、新西蘭等國家很快跟進了這方面的研究。 麻省理工學院的研究成果陸續發表之后，國內還鮮有人知道磁諧振無線輸電技術，因為索爾賈希克的文章是從物理學角度闡述的，這對于國內電工學研究者來說并不容易理解。 2008年，張波和他的學生對磁諧振無線輸電用電工學的方法做了原理性的解析，并做出實驗進行驗證，文章發表在《中國電機工程學報》上，成為后來國內無線輸電技術研究者的必讀文章。 彼時，朱春波正在哈工大開展無線傳感器網絡應用方面的研究，他發現無線傳感器網絡發展的瓶頸技術之一就是供電技術。比如埋在路面或建筑物里的無線傳感器，電池電量耗盡就宣告了無線傳感器的“壽終正寢”。受到索爾賈希克的啟發，朱春波帶領學生闖進了無線供電這一陌生領域，成為國內研究無線輸電的一支重要力量。2010年圣誕節前，他的學生運用磁諧振技術把1.5米高的圣誕樹上的二極管彩燈點亮，還申請了專利。 朱春波告訴《中國科學報》記者，時至今日，盡管對無線輸電領域的研究仍處于起步階段，但人們已經表現出了越來越多的興趣，對未來擺脫充電插頭充滿期待。 “一直以來，人們總是在不斷尋求無線輸電的實用技術方案，并著力推進無線輸電技術的實用化發展。”孫躍說，就目前技術成熟情況來看，無線輸電技術主要還是解決移動電氣設備的電能非接觸接入問題，為人們更加便利和安全地使用移動電氣設備提供有效的解決方案。 無線輸電仍需技術突破 孫躍指出，盡管國內外在基于電磁感應耦合模式的無線電能傳輸技術方面的發展及應用推廣迅速，但目前在功率容量、傳輸效率、傳輸距離及電磁兼容等方面仍待進一步突破。 張波則認為，目前電磁感應、磁諧振等磁場輸電技術相對成熟，但受限于周圍環境影響等因素，傳遞效率和功率均無法滿足人們日常需要，這可能意味著人們還未探索到磁場輸電的“終極理論”。 “自然界都有它自己的規律，磁場傳輸能量肯定是有其路徑，只是我們還沒有找到這個規律，這需要我們學術界下大力氣去探索。”張波對記者說，這可能需要信息、控制、電子電力、材料甚至數學物理等學科交叉研究攻關，一旦探索到磁場傳輸電能的法門，其意義不亞于光纖的發明。 朱春波在研究中就遇到了芯片“功能不夠用”的瓶頸，比如更高頻高功率的芯片，現在市場上還沒有研發出來。 “有些芯片不夠用，技術參數達不到我們的要求。”朱春波說，如果投入資金開發，是可以做出來的。但是，由于短期內該芯片不會有太大的需求量，多數企業不愿意做這樁“賠本買賣”。因此，他認為，這需要“賠得起”的企業為長遠打算，提前占領市場。 此外，多位專家紛紛表示，國內對無線輸電技術方面的研究較少，隊伍亟需壯大。尤其需要更多年輕人的加入。 張波還指出，目前國內外從事研究無線電能傳輸的人員，大部分是來自通信系統、自動化等學科的“外援”，很少有專門做電能研究的科學家。他認為，無線輸電研究在認識上還需得到進一步重視。 延伸閱讀 無線輸電是否對人體有影響 磁場輸電會否對人體產生危害？專家表示，盡管國際、國內制定了相關的磁場接入標準，規定了磁場在何種頻率下不得高于某一量值，但目前還不能量化磁場對人體的影響程度。 張波認為，從目前已發表的研究成果而言，磁諧振從某種意義上相當于能量在空間中實現了短路，但這意味著需要有路徑，而人體并不是它的短路線，磁場會繞過人體這一“障礙物”。 麻省理工學院在2007年公布其研究成果時，同時公布了一張其研究團隊的合影照，在這張照片中，研究人員坐在磁場發射線圈和接收線圈中間，一側的白熾燈泡仍能正常點亮。 張波告訴《中國科學報》記者，實際上該團隊還做了另外一個實驗，即在其磁場發射和接收線圈中間加了一個金屬板（金屬板起屏蔽磁場的作用），燈泡同樣可以點亮，說明磁場傳輸電能時繞過了金屬板，這和磁場繞過人的原理類似。 “盡管如此，目前尚無科學的數據證明這一結論，這可能需要專門的研究團隊去做測試。而如果磁場傳輸電能要普及推廣，這個測試結論一定要科學、可靠。”張波強調說。 朱春波指出，出于對包括人類在內的生物體的保護的角度，無線電能傳輸同樣要滿足電磁標準的要求，不滿足不能進入市場。 索爾賈希克在其成果文章中表示，人們本就生活在地磁場中，對磁是不敏感的，有些人還專門購買磁化設備用于“磁療”，認為磁場對人的傷害有限。朱春波認為這有個前提：在低頻磁場下。因為高頻磁場容易產生電場，近場高頻會不會對人體造成傷害，尚難評估。另外，他還指出，有些傷害可能一時難以表現出，這還有待對磁場長期影響的研究。 需要說明的是，現在手機上采用的無線充電技術，功率、能量很低，傳輸距離很近，磁場對人體的影響很小。而如果研究遠距離電能傳輸，就應該將磁場輻射的影響考慮在內。 《中國科學報》 (2013-07-26 第9版 探索周刊) |
