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來源：環(huán)球科學(xué) 智能手機(jī)等電子設(shè)備在給人們生活帶來極大便利的同時(shí)，也帶來了充電的問題。當(dāng)你陷入電量耗竭的焦慮時(shí)，是否希望手機(jī)能像連接 Wifi 一樣隨時(shí)隨地“無線充電”呢？ 事實(shí)上，無線供電領(lǐng)域研究距上一次取得突破已有十年之久。麻省理工學(xué)院研究人員曾實(shí)現(xiàn)以40%的效率向兩米之外的固定目標(biāo)供電，相關(guān)研究2007年6月發(fā)表于 Science。但是，小到智能手機(jī)，大到電動(dòng)汽車，在使用中改變位置是不可避免的，這一問題極大制約了無線供電技術(shù)的發(fā)展。 最近，一篇題為 “Robust Wireless Power Transfer Using A Nonlinear Parity–Time-Symmetric Circuit ”的 Nature 論文或?qū)㈤_啟無線供電的新時(shí)代。新研究的亮點(diǎn)在于利用宇稱-時(shí)間對稱性實(shí)現(xiàn)了對移動(dòng)目標(biāo)的穩(wěn)定無線供電，接收電能的設(shè)備在約1米的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，供電效率幾乎不受影響。論文通訊作者、斯坦福大學(xué)教授范汕洄在接受科研圈記者采訪時(shí)表示，如能夠在發(fā)射端使用特制放大器，“穩(wěn)定供電區(qū)”還可以進(jìn)一步擴(kuò)大。 無線供電：歷史與現(xiàn)狀 人類研發(fā)無線供電技術(shù)的歷史可以追溯到上世紀(jì)初。1901年，傳奇科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）曾在紐約長島建造了沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower，又名特斯拉塔），意圖通過大氣電離層實(shí)現(xiàn)全球無線供電。這一異想天開的計(jì)劃最終因缺乏資金支持而夭折。 基于電磁感應(yīng)原理的現(xiàn)代無線供電技術(shù)已問世多年，為智能手機(jī)、無線鼠標(biāo)、智能手表無線充電的設(shè)備已初步產(chǎn)品化。然而目前的無線供電產(chǎn)品僅僅是省掉了充電線，充電時(shí)仍須將電子設(shè)備置于供電板上，靈活性并無太大提高。加之效率較低，無線供電器尚未被消費(fèi)者廣泛接受。 現(xiàn)有的無線供電裝置中，電能通過波源產(chǎn)生無線電波，以激發(fā)發(fā)射線圈。當(dāng)接收線圈靠近發(fā)射線圈時(shí)，這兩個(gè)線圈就如同一條電路一樣，均勻分配電磁能。隨后整流器將接收線圈中的電能傳遞給用電的設(shè)備。這種方法中，能量的轉(zhuǎn)移效率僅僅在線圈分開到一定距離時(shí)達(dá)到最高，而兩線圈的相對位置和角度發(fā)生變化時(shí)，供電效率會(huì)銳減。對固定目標(biāo)供電時(shí)，這并不是問題。但如果供電對象移動(dòng)位置（如攜帶手機(jī)走動(dòng)、電動(dòng)汽車行駛），就很難保持效率了。 
（a）傳統(tǒng)無線供電裝置先產(chǎn)生電磁波激發(fā)發(fā)射線圈，再輸送電能到接收線圈。（b）該研究利用電壓放大器和反饋電阻直接在發(fā)射線圈產(chǎn)生可自動(dòng)調(diào)節(jié)的電磁波。圖片來源：Nature News & Views 量子力學(xué)助力技術(shù)突破 在范汕洄課題組改進(jìn)的方法中，產(chǎn)生電磁波的波源被一個(gè)放大器所替代，利用量子力學(xué)中的宇稱-時(shí)間對稱性（PT-對稱），新系統(tǒng)的發(fā)射線圈產(chǎn)生可自動(dòng)調(diào)節(jié)的電磁波，在間距70公分的范圍內(nèi)都能達(dá)到最大的能量轉(zhuǎn)移效率。
論文通訊作者范汕洄教授（左）與第一作者 Sid Assawaworrarit 在實(shí)驗(yàn)裝置前合影。圖片來源：Mark Shwartz/Stanford University 宇稱-時(shí)間對稱性是指系統(tǒng)在鏡像變換和時(shí)間反演變換下保持不變的性質(zhì)。在經(jīng)典的非量子系統(tǒng)中，也可以人為構(gòu)造這種對稱性。這樣的系統(tǒng)由對稱排列的部分組成，這些部分要么消耗能量，要么獲得能量。在無線供電技術(shù)中，可以把要供電的設(shè)備視為消耗能量的部分，而放大器給線圈提供能量，可以視為獲得能量的部分。 如果兩個(gè)感應(yīng)線圈相同，且放大器增加的電磁能量超過某一閾值（取決于載荷大小），這個(gè)系統(tǒng)就滿足了宇稱-時(shí)間對稱。如此一來，接收線圈遠(yuǎn)離時(shí)損失能量，放大器會(huì)自動(dòng)增加能量進(jìn)行補(bǔ)充。 該團(tuán)隊(duì)論證，兩線圈之間的能量傳遞效率可以高達(dá)100%，不過這并不代表電能從供電設(shè)備到用電器之間可以完全無損。電路中的放大器、整流器等部件都會(huì)造成一定的電能損耗。 在演示視頻中，Sid Assawaworrarit 用接收線圈為一個(gè) LED 燈供電，在約一米的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，燈的亮度幾乎不變。如果使用傳統(tǒng)無線供電方式，燈只能在某個(gè)特定距離達(dá)到最大亮度。（論文頁面可查看對比視頻） 范汕洄團(tuán)隊(duì)預(yù)想利用這一方法為行駛中的電動(dòng)汽車充電。充電時(shí)間過長是目前電動(dòng)汽車的一大局限，以特斯拉 90 kWh Model S 為例，在超級充電樁充電至80%需45分鐘，充滿需75分鐘，家用充電樁耗時(shí)則更為漫長，如能在地面鋪設(shè)線圈，即可實(shí)現(xiàn)行駛中充電。另外，該技術(shù)亦有望用于手機(jī)等便攜電子設(shè)備的無線充電，攜帶者可以在房間內(nèi)自由走動(dòng)，不必?fù)?dān)心充電效率受到影響。 這一剛剛問世的無線供電系統(tǒng)目前僅可輸送1毫瓦的功率，要驅(qū)動(dòng)功耗高達(dá)數(shù)十千瓦的電動(dòng)汽車，還有很長的路要走。相比之下，功耗較低的智能手機(jī)（充電功率在10瓦左右）等便攜電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)“隨處充電”的目標(biāo)可能要近得多。 在發(fā)表于同期 Nature 的新聞?dòng)^點(diǎn)中，法國物理學(xué)家 Geoffroy Lerosey 提出，該研究中接收線圈沿軸移動(dòng)，但實(shí)際應(yīng)用中用電器沿其他方向運(yùn)動(dòng)的可能性更大。就此，范汕洄教授向科研圈記者解釋道：“目前階段角度的改變確實(shí)會(huì)對供電效果造成一定影響，不過該研究中使用的放大器為市面上的通用產(chǎn)品，如果能夠使用特制放大器，體系效率將顯著提高，且有助于克服角度變動(dòng)帶來的影響，而定制放大器并非難事。” 下一步，該團(tuán)隊(duì)將致力于大幅提高體系供電量、供電距離及效率。我們期待人類擺脫“充電煩惱”的一天早日到來。 |
