Хотя мобильные устройства, такие как планшеты и смартфоны, позволяют нам общаться, работать и получать доступ к информации по беспроводной сети, их батареи все равно необходимо заряжать, подключив их к розетке. Но инженеры из Вашингтонского университета впервые разработали метод безопасной зарядки смартфона с помощью лазера без проводов.

Система беспроводной зарядки, созданная инженерами Вашингтонского университета. Зарядный лазер и защитные лазеры обычно невидимы для человеческого глаза, но вместо защитных лучей для демонстрации были вставлены красные лучи. Марк Стоун / Университет Вашингтона

Как команда сообщает в бумага опубликовано в Интернете в декабре в Труды Ассоциации вычислительной техники по интерактивным, мобильным, носимым и вездесущим технологиям. узкий невидимый луч от лазерного излучателя может доставлять зарядку на смартфон, находящийся в комнате, и потенциально может заряжать смартфон так же быстро, как и стандартный USB-кабель. Для этого команда смонтировала тонкий элемент питания на задней панели смартфона, который заряжает смартфон, используя энергию лазера. Кроме того, команда разработала индивидуальные функции безопасности - в том числе металлический плоский радиатор на смартфоне для отвода избыточного тепла от лазера, а также механизм на основе отражателя для отключения лазера, если человек пытается переместиться в путь зарядного луча.

«Безопасность была в центре нашего внимания при разработке этой системы», сказал соавтор Шьям Голлакота адъюнкт-профессор Школы информатики и инженерии имени Пола Аллена в UW. «Мы спроектировали, сконструировали и протестировали эту лазерную зарядную систему с быстродействующим защитным механизмом, который гарантирует, что лазерный излучатель прекратит зарядный луч, прежде чем человек попадет на путь лазера».

Инженеры Вашингтонского университета разработали беспроводную систему зарядки для мобильных устройств.
Стоя (слева направо): Викрам Айер, Шьям Голлакота, Эльяс Баяти.
Сидят (слева направо): Раджалакшми Нандакумар, Арка Мажумдар. Марк Стоун / Университет Вашингтона

Голлакота и соавтор Арка Мажумдар UW доцент кафедры физики и электротехники, возглавлял команду, которая разработала эту беспроводную систему зарядки и ее функции безопасности.

«В дополнение к механизму безопасности, который быстро отключает зарядный луч, наша платформа имеет радиатор для отвода избыточного тепла, генерируемого зарядным лучом», - сказал Мажумдар, который также является исследователем в UW. Институт молекулярной инженерии и наук , «Эти функции дают нашей беспроводной системе зарядки строгие стандарты безопасности, необходимые для ее применения в различных коммерческих и домашних условиях».

Зарядный луч генерируется лазерным излучателем, который команда настроила для генерации сфокусированного луча в ближнем инфракрасном спектре. Система безопасности, которая отключает зарядный луч, сосредотачивается на маломощных, безопасных лазерных «защитных лучах», которые испускаются другим лазерным источником, расположенным рядом с заряжающим лазерным лучом, и физически «окружают» зарядный луч. Пользовательские «ретрорефлекторы» с трехмерной печатью, расположенные вокруг силовой ячейки на смартфоне, отражают защитные лучи обратно на фотодиоды на лазерном излучателе. Защитные лучи сами не заряжают телефон, но их отражение от смартфона обратно к излучателю позволяет им служить «датчиком», когда человек будет двигаться по пути защитного луча. Исследователи разработали лазерный излучатель для прекращения зарядки луча, когда любой объект - например, часть тела человека - вступает в контакт с одним из защитных лучей. Блокировка защитных лучей может быть обнаружена достаточно быстро, чтобы обнаружить самые быстрые движения человеческого тела, основываясь на десятилетиях физиологических исследований.

Подсветкой красного цвета является один из трехмерных световозвращающих отражателей, отражающий защитные лучи малой мощности от диодов на лазерном излучателе. Прерывание защитных лучей запускает систему безопасности, которая блокирует зарядный луч. Марк Стоун / Университет Вашингтона

«Защитные лучи способны действовать быстрее, чем наши самые быстрые движения, потому что эти лучи отражаются назад к излучателю со скоростью света», - сказал Голлакота. «В результате, когда защитный луч прерывается движением человека, излучатель обнаруживает это в течение доли секунды и использует затвор, чтобы заблокировать зарядный луч, прежде чем человек сможет соприкоснуться с ним».

Ожидается, что следующее поколение наноразмерных оптических устройств будет работать с частотой гигагерца, что может уменьшить время отклика затвора на наносекунды, добавил Маджумдар.

Луч заряжает смартфон через силовой элемент, установленный на задней панели телефона. Узкий луч может обеспечить постоянную мощность 2 Вт на площади 15 кв. Дюймов на расстоянии до 4,3 метра или около 14 футов. Но излучатель можно изменить, чтобы расширить радиус зарядного луча до площади до 100 квадратных сантиметров с расстояния 12 метров или почти 40 футов. Это расширение означает, что излучатель может быть направлен на более широкую поверхность зарядки, такую ​​как столешница или столешница, и заряжать смартфон, размещенный в любом месте на этой поверхности.

Прототип лазерного излучателя команды UW. Мощный защитный луч испускается из центрального порта. Четыре слабых защитных луча испускаются из портов, окружающих защитный луч. Рядом с каждым портом защитного луча находятся прозрачные фотодиоды, которые обнаруживают защитные лучи, когда они отражаются обратно на излучатель ретрорефлекторами на телефоне. Марк Стоун / Университет Вашингтона

Исследователи запрограммировали смартфон так, чтобы он сигнализировал о своем местонахождении, испуская высокочастотные акустические «звуковые сигналы». Они не слышны для наших ушей, но достаточно чувствительны, чтобы улавливать маленькие микрофоны на лазерном излучателе.

«Эта акустическая система локализации гарантирует, что излучатель может обнаружить, когда пользователь установил смартфон на поверхность зарядки, которая может быть обычным местом, например, столом через всю комнату», - сказал один из ведущих авторов. Викрам Айер UW докторант в области электротехники.

Когда излучатель обнаруживает смартфон на требуемой поверхности зарядки, он включает лазер, чтобы начать зарядку аккумулятора.

«Луч обеспечивает зарядку так же быстро, как и подключение смартфона к USB-порту», ​​- сказал один из ведущих авторов. Эльяс Баяты UW докторант в области электротехники. «Но вместо того, чтобы подключить телефон, вы просто кладете его на стол».

Прототип радиатора UW команды, который можно прикрепить к задней части смартфона, состоит из фотоэлектрической ячейки (серебряный квадрат, сверху), прикрепленной к термоэлектрическому генератору (белого цвета). Генератор монтируется на алюминиевый радиатор. Вся сборка имеет толщину всего 8 мм и ширину 40 мм. Марк Стоун / Университет Вашингтона

Чтобы зарядное устройство не перегревало смартфон, команда также поместила тонкие алюминиевые полоски на задней панели смартфона вокруг силового элемента. Эти полоски действуют как теплоотвод, отводя избыточное тепло от зарядного луча и позволяя лазеру заряжать смартфон в течение нескольких часов. Они даже собрали небольшое количество этого тепла, чтобы зарядить смартфон - установив почти плоский термоэлектрический генератор над полосками радиатора.

Исследователи полагают, что их надежные функции безопасности и рассеивания тепла могут обеспечить беспроводную лазерную зарядку других устройств, таких как камеры, планшеты и даже настольные компьютеры. Если это так, задача перед сном по подключению вашего смартфона, планшета или ноутбука может когда-нибудь быть заменена более простым ритуалом: разместить его на столе.

Соавтор Раджалакшми Нандакумар UW докторант в школе Аллена. Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом Альфреда П. Слоана и Google Faculty Research Awards.

###

Для получения дополнительной информации свяжитесь с командой по адресу [email protected] ,

Номера грантов: CNS-1452494, CNS-1407583.

Tag (s): Арка Мажумдар • Колледж искусств и наук • Инженерный колледж • Кафедра электротехники и вычислительной техники • Физический факультет • Институт молекулярной инженерии и наук • Школа компьютерной науки и техники им. Пола Аллена • Шьям Голлакота

Похожие