华盛顿大学研制出世界首部无电池手机制造成本还不到1美元

近日，华盛顿大学计算机科学与工程学院研究人员研制出一部永久在线的手机，没有电池也能拨打电话。研发无电池手机是该校传感器系统实验室教授Joshua R. Smith、网络和移动系统实验室副教授Shyam Gollakota所领导的一支博士生团队。先前，这支团队就在研究超低功耗的嵌入式系统和设备，关于无电池手机的研发工作在2016年就有了眉目，其研究成果以论文的形式于2017年6月发表在ACM旗下专门研究后PC时代物联网技术的刊物《IMWUT》上。一开始，研究团队必须要解决无电池手机的能量来源问题，可行的方案有两种，各有优缺点，一种是使用射频供电，一种是光电二极管供电。以射频供电为例，其原理是用Dickson电荷泵整流拓扑（charge pump rectifier topology）将射频转换为直流电源，使用SMS-7630 Schottky二极管从ISM频段915MHz汲取电力。这种方案和古老的矿石收音机类似，方案成熟，制造成本低，但受基站与手机间的距离影响。而光电二极管供电则是使用15个Vishay VEMD5060X01光电二极管作为传感器从环境光中获取能量。这种方案成本相对更高，但可以在距离基站更远的地方通信，如果环境光照度不够就会陷入没电的窘境。解决供能问题后，要在超低功耗下运行，则必须针对性地重新设计手机，将功率限制在10微瓦以内，而普通手机的运行功率上百毫瓦，两者之间相差上万倍，所以，一切不必要的组件都必须去掉，包括屏幕、指示灯、摄像头等等，从外表上看，无电池手机简陋得像一块电路板。简化手机模块还不够，蜂窝传输中，将声音模拟信号转化为手机可理解的数字信号的过程非常耗电，因此不得不专门研发一种纯模拟系统，将驻极体麦克风和扬声器与天线连接，利用反向散射技术不经转化地直接传输声音，这样功耗能降低3-4个数量级。不过，如果连信号传输方式都改了的话，也就意味着与现有的基站不兼容，必须使用他们定制的基站来解码信号。从演示来看，目前的射频供电原型机可以在距离基站9.4米的地方操作，而光电二极管供电版则为15.2米。用户需按住特定的按钮来呼叫或通话，运行功耗在3.5微瓦左右，但目前无电池手机还存在一个缺陷，不能同时发送与接受语音信号，因而更像是一部对讲机。由于特制的基站并没有接入通信网，实际的呼出方式是使用Skype网络电话的API来打给其他人。据研究人员透露，如果批量生产这种无电池手机，硬件成本连1美元都不到。谷歌教授科研奖和美国国家科学基金会已经资助该团队超过200万美元，下一步，研究人员将提高无电池手机的通信范围，改善通话音质和使用加密协议来保障通话安全，并可能会加上电子墨水屏和摄像头。更长远一点来说，如果无电池手机在实用性上能获社会认可，则一种合适的应用场景是将特制的基站集成到路由器中，或放到各类物联网设施里，那样与基站之间的距离限制将不会成为无电池手机普及的障碍。

University of Washington Computer Science & Engineering

华盛顿大学计算机科学与工程学院

华盛顿大学计算机科学与工程学院于1861年在美国成立，是一所计算机科学研究机构，创世母机构为华盛顿大学。现任院长为 Richard Anderson 。