飛行中的無(wú)人機、正在移動(dòng)的智能機器人，都可以遠程隔空充電，科幻小說(shuō)里描述的場(chǎng)景有望成為現實(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)的一種自適應無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)，可以用類(lèi)似Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)傳輸方式，將無(wú)線(xiàn)能量實(shí)時(shí)、高效地聚焦并傳輸到動(dòng)態(tài)的終端設備上，實(shí)現無(wú)電池供電的感知、計算和通信。
在李龍看來(lái)，這項研究是面向無(wú)線(xiàn)傳能、感知、通信一體化領(lǐng)域的探索，未來(lái)有望為萬(wàn)物智聯(lián)的傳感器設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電。相關(guān)論文發(fā)表于《自然·通訊》。
邊移動(dòng)邊充電
無(wú)人機廣泛應用于高空拍攝、物流配送、農業(yè)植保、應急救援等諸多領(lǐng)域，機器人、可穿戴設備等智能硬件也走進(jìn)人們的生活，但續航能力卻始終制約其進(jìn)一步發(fā)展。如何為這些智能設備提供可靠、持久的能源供給，成為亟待解決的技術(shù)難題。
無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)的突破，意味著(zhù)未來(lái)的智能設備有望擺脫傳統電池和有線(xiàn)充電設施。
“我們針對精確近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)定位、自適應無(wú)線(xiàn)能量傳輸、高效無(wú)線(xiàn)能量收集等問(wèn)題，構建了一種基于雙頻超表面、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )近場(chǎng)定位的自適應無(wú)線(xiàn)傳能網(wǎng)絡(luò )。它能進(jìn)行同步的目標感知定位和波束調控，進(jìn)而實(shí)現自適應追蹤的無(wú)線(xiàn)能量傳輸?！崩铨堈f(shuō)，這項研究在動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)能量傳輸和無(wú)線(xiàn)定位領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
據了解，傳統的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要依賴(lài)于近距離、接觸式的電磁諧振感應，其效率和適用范圍受到空間、距離、環(huán)境、設備等制約。
李龍課題組研究的基于電磁超表面的輻射式無(wú)線(xiàn)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(guò)目標感知和環(huán)境交互實(shí)現智能化調整電磁波傳輸參數，并根據周?chē)h(huán)境變化及設備實(shí)時(shí)需求，提高無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率，精準且高效地為設備輸送能量。
與傳統的無(wú)線(xiàn)充電方式相比，自適應追蹤的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)有望支持無(wú)人機、智能機器人等終端設備，在移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行穩定、高效的非接觸式無(wú)線(xiàn)充電。團隊成員、西安電子科技大學(xué)博士生夏得校說(shuō)，這項技術(shù)是電磁超表面在無(wú)線(xiàn)傳能領(lǐng)域的創(chuàng )新和突破，促進(jìn)信息超表面研究沿著(zhù)智能化、多功能方向發(fā)展。
厘米級跟蹤定位
如何精準定位移動(dòng)中的智能設備？這是實(shí)現遠程隔空充電的關(guān)鍵。
研究人員將超表面能量接收整流過(guò)程中產(chǎn)生的二階諧波作為定位信號進(jìn)行反饋，結合超表面時(shí)空編碼技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，首次在單發(fā)單收系統上實(shí)現了3厘米分辨率的近場(chǎng)定位精度。
研究人員介紹，他們構建了一款雙頻共口徑的可編程超表面，用于實(shí)現全雙工的輻射調控和目標感知。他們還設計了用于無(wú)線(xiàn)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換，實(shí)現無(wú)電池的環(huán)境數據感知和計算，并將感知的數據通過(guò)藍牙進(jìn)行上傳。最終，研究人員利用雙頻超表面上的陣列，對來(lái)自終端設備的定位信號進(jìn)行時(shí)空編碼調制。在前期完成網(wǎng)絡(luò )訓練的基礎上，通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )終端實(shí)現快速分類(lèi)及精確獲取位置信息。
夏得校說(shuō)，在這一系統中，超表面不僅能實(shí)現精確的目標定位，還能根據實(shí)時(shí)變化的環(huán)境和目標，進(jìn)行靈活的能量聚焦，實(shí)現跟蹤式隔空輸能。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的前景廣闊，隨著(zhù)規?；a(chǎn)和技術(shù)升級迭代，其應用成本也將逐步降低。經(jīng)濟實(shí)惠的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，可為大型智能倉儲、可植入醫療設備及低空經(jīng)濟等領(lǐng)域提供更便捷的充電解決方案。
“我們的研究通過(guò)引入信息超材料技術(shù)，為非接觸式設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(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在未來(lái)應用場(chǎng)景中的實(shí)踐與普及?！崩铨堈f(shuō)，自適應無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)將推動(dòng)6G物聯(lián)網(wǎng)、信息超表面、智能無(wú)人機等行業(yè)的發(fā)展，具有應用潛力。 （記者 王禹涵）
