華人科學家首創長距離無線充電技術

斯坦福大學范汕洄課題組開發了可以在一定範圍內為移動目標穩定無線供電方式

智能手機等電子設備在給人們生活帶來極大便利的同時，也帶來了充電的問題。當你陷入電量耗竭的焦慮時，是否希望手機能像連接 Wifi 一樣隨時隨地「無線充電」呢？

事實上，無線供電領域研究距上一次取得突破已有十年之久。麻省理工學院研究人員曾實現以40%的效率向兩米之外的固定目標供電，相關研究2007年6月發表於 Science。但是，小到智能手機，大到電動汽車，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的發展。

最近，一篇題為 「Robust Wireless Power Transfer Using A Nonlinear Parity–Time-Symmetric Circuit 」的 Nature 論文或將開啟無線供電的新時代。新研究的亮點在於利用宇稱-時間對稱性實現了對移動目標的穩定無線供電，接收電能的設備在約1米的範圍內移動時，供電效率幾乎不受影響。論文通訊作者、斯坦福大學教授范汕洄在接受科研圈記者採訪時表示，如能夠在發射端使用特製放大器，「穩定供電區」還可以進一步擴大。

無線供電：歷史與現狀

人類研發無線供電技術的歷史可以追溯到上世紀初。1901年，傳奇科學家尼古拉·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現全球無線供電。這一異想天開的計劃最終因缺乏資金支持而夭折。

基於電磁感應原理的現代無線供電技術已問世多年，為智能手機、無線滑鼠、智能手錶無線充電的設備已初步產品化。然而目前的無線供電產品僅僅是省掉了充電線，充電時仍須將電子設備置於供電板上，靈活性並無太大提高。加之效率較低，無線供電器尚未被消費者廣泛接受。

現有的無線供電裝置中，電能通過波源產生無線電波，以激發發射線圈。當接收線圈靠近發射線圈時，這兩個線圈就如同一條電路一樣，均勻分配電磁能。隨後整流器將接收線圈中的電能傳遞給用電的設備。這種方法中，能量的轉移效率僅僅在線圈分開到一定距離時達到最高，而兩線圈的相對位置和角度發生變化時，供電效率會銳減。對固定目標供電時，這並不是問題。但如果供電對象移動位置（如攜帶手機走動、電動汽車行駛），就很難保持效率了。

（a）傳統無線供電裝置先產生電磁波激發發射線圈，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射線圈產生可自動調節的電磁波。圖片來源：Nature News & Views

量子力學助力技術突破

在范汕洄課題組改進的方法中，產生電磁波的波源被一個放大器所替代，利用量子力學中的宇稱-時間對稱性（PT-對稱），新系統的發射線圈產生可自動調節的電磁波，在間距70公分的範圍內都能達到最大的能量轉移效率。

論文通訊作者范汕洄教授（左）與第一作者 Sid Assawaworrarit 在實驗裝置前合影。圖片來源：Mark Shwartz/Stanford University

宇稱-時間對稱性是指系統在鏡像變換和時間反演變換下保持不變的性質。在經典的非量子系統中，也可以人為構造這種對稱性。這樣的系統由對稱排列的部分組成，這些部分要麼消耗能量，要麼獲得能量。在無線供電技術中，可以把要供電的設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。

如果兩個感應線圈相同，且放大器增加的電磁能量超過某一閾值（取決於載荷大小），這個系統就滿足了宇稱-時間對稱。如此一來，接收線圈遠離時損失能量，放大器會自動增加能量進行補充。

該團隊論證，兩線圈之間的能量傳遞效率可以高達100%，不過這並不代表電能從供電設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 LED 燈供電，在約一米的範圍內移動時，燈的亮度幾乎不變。如果使用傳統無線供電方式，燈只能在某個特定距離達到最大亮度。（論文頁面可查看對比視頻）

范汕洄團隊預想利用這一方法為行駛中的電動汽車充電。充電時間過長是目前電動汽車的一大局限，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，家用充電樁耗時則更為漫長，如能在地面鋪設線圈，即可實現行駛中充電。另外，該技術亦有望用於手機等便攜電子設備的無線充電，攜帶者可以在房間內自由走動，不必擔心充電效率受到影響。

這一剛剛問世的無線供電系統目前僅可輸送1毫瓦的功率，要驅動功耗高達數十千瓦的電動汽車，還有很長的路要走。相比之下，功耗較低的智能手機（充電功率在10瓦左右）等便攜電子設備實現「隨處充電」的目標可能要近得多。

在發表於同期 Nature 的新聞觀點中，法國物理學家 Geoffroy Lerosey 提出，該研究中接收線圈沿軸移動，但實際應用中用電器沿其他方向運動的可能性更大。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會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品，如果能夠使用特製放大器，體系效率將顯著提高，且有助於克服角度變動帶來的影響，而定製放大器並非難事。」

下一步，該團隊將致力於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。

撰文 朱夢軒 張士超

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