Инженеры из Вашингтонского университета (США) разработали сотовый телефон, который работает без встроенного источника энергии (то есть без батареи). Он получает необходимые 3,48 микроватта (максимум) по радио со вспомогательной радиостанции, которая находится на расстоянии до 9,4 м. Если же присутствует источник света, то дополнительную энергию дают фотоэлементы, за счёт чего можно удалиться от базовой станции на 15,2 м.
Исследователи считают, что их работа станет первым шагом к созданию полноценного мобильного телефона без батарей, который сможет работать даже в отсутствие вспомогательной радиостанции. В конце концов, в городском пространстве и так очень много излучений, которые можно превращать в электричество.
Группе инженеров удалось сократить до минимума потребление энергии мобильным телефоном. Для этого они применили ряд инновационных решений. «Мы построили, на наш взгляд, первый в мире функциональный сотовый телефон, который почти не потребляет энергии, — говорит Шьям Голлакота (Shyam Gollakota), доцент Школы информатики и инженерных наук при Вашингтонском университете, соавтор научной работы. — Чтобы достичь такого очень, очень маленького энергопотребления, чтобы ваш телефон мог получать энергию из окружающей среды, нам пришлось фундаментально переосмыслить принципы конструкции таких устройств».
Нужно заметить, что сейчас существует много различных электроннных приборов, которые отлично обходятся без элементов питания, потребляя энергию окружающей среды — радиоволны, солнечный свет, вибрации, тепло человеческого тела (разницу температур) и т. д. Но обычно это маломощная электроника, вроде разнообразных сенсоров, которые работают спорадически. То есть они длительный срок (минута или две) накапливают энергию, а потом «просыпаются» и совершают некую полезную работу, после чего опять переходят в режим накопления энергии. Мобильный телефон в режиме разговора должен работать постоянно, так что здесь энергопотребление гораздо больше: «Вы не можете сказать „Привет!”, а потом ждать минуту, пока телефон накопит достаточно энергии для продолжения передачи, — метко заметил Брайс Келлог (Bryce Kellogg), докторант по электротехнике Вашингтонского университета, ещё один соавтор научной работы. — Это была самая большая сложность. С окружающих радиоволн или света вы обычно можете получить в районе от 1 до 10 микроватт, не больше. Так что для разговора в реальном времени нужно было разработать принципиально новый подход для передачи и получения речи». И такой подход придумали. Разработчикам удалось избавиться от одного из самых прожорливых процессов в электронных компонентах сотового телефона — аналогово-цифрового преобразования.
В телефоне нет микросхемы АЦП. Вместо этого антенна телефона подключается к электретному микрофону — и его вибрации преобразуются в изменения стандартного аналогового радиосигнала для базовой станции. В режиме приёма изменения сигнала преобразуются в вибрации динамика, а в режиме передачи механические вибрации диафрагмы с электростатическим зарядом на электретном микрофоне через радиочастотный переключатель напрямую преобразуются в изменения радиосигнала антенны. Такое преобразование практически не потребляет энергии.
Схема передачи голоса (слева) и приёма (справа)
Как считают эксперты из IEEE Spectrum, такая конструкция частично создана по образцу устройства пассивной прослушки, установленного российскими разведчиками в стол посольства американского посла в Москве в 1940-е годы.
Недостаток подобного подхода в том, что пользователю необходимо нажимать кнопку, чтобы переводить телефон из режима приёма в режим передачи — и обратно (полудуплекс). Но этот недостаток компенсируется огромным сокращением энергопотребления.
Базовые станции для трансляции подходящего радиосигнала для «подпитки» телефона, можно интегрировать в существующие WiFi-маршрутизаторы, которые и так установлены почти в каждой квартире.
Авторы доказали, что из коммерчески доступных комплектующих можно собрать телефон, энергопотребление которого исчисляется микроваттами. Теоретически, такой телефон в самом деле может работать и без батареи, и без дополнительной базовой станции, просто собирая энергию из окружающей среды. Этого достаточно, чтобы передавать голос и данные, а также реагировать на ввод данных с клавиатуры. В лабораторных условиях инженеры смогли совершить звонок по Skype и поговорить с абонентом.
Пока что это лишь первый прототип, но изобретённые методы экономии энергии могут найти применение в устройствах будущего от других производителей. В конце концов, если людям и нужно какое-то электронное устройство, которое вечно работает без батареек, то это — мобильный телефон.
В ближайшее время разработчики намерены внедрить в «телефон без батареек» схему шифрования связи, увеличить расстояние от базовой станции, добавить дисплей на электронных чернилах и возможность трансляции видео.
Научная работа опубликована 1 июля 2017 года в журнале Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies (doi:10.1145/3090090, pdf).
Комментарии (59)
roverseti
09.07.2017 16:47Отличная идея, наверное снятая с прослушки Термена
. Хотя и как видно им нужно сделать не радиопередатчик а, телефон… :)artskep
09.07.2017 22:50Об этом недвусмысленно сказано в заголовке и в содержании статьи.
Да и вообще:
В телефоне нет микросхемы АЦП. Вместо этого антенна телефона подключается к электретному микрофону — и его вибрации преобразуются в изменения стандартного аналогового радиосигнала для базовой станции.
И сравнивать это с современной сотовой связью (базовая станция явно не «стандартная»)???
Ну, получается я в школе изобрел iTunes (ну, или подставьте здесь любимое интернет-радио) энергонезависимый — сам собрал устройство, которое без батареек работает и музыку играет. Элементная база, ЕМНИП, кондер, катушка, диод, кусок проволки и высокоомные наушники. Да, действительно музыку играло — не поспорите.
roverseti
09.07.2017 16:56Упс, на видео видна работа телефона. Одна проблема — дуплекс. Но все что есть уже здорово!
GrayM
09.07.2017 17:29+17Простите за занудство, но это не Сотовый и не Мобильный, а в лучшем случае Радио Телефон.
Даже скорее Уоки-Токи.
Со всеми вытекаюшими ограничениями ;-)
А, так да — идея зачетная :-)
kalmarius
10.07.2017 14:51Скорее аналог Dect — БС для этой трубки может быть связана со внешним миром посредством провода или обычной GSM связи.
Serge78rus
09.07.2017 17:33+8Это взаимоисключающие параграфы:
Разработчикам удалось избавиться от одного из самых прожорливых процессов в электронных компонентах сотового телефона — аналогово-цифрового преобразования.
В ближайшее время разработчики намерены внедрить в «телефон без батареек» схему шифрования связи
или они собираются «изобрести» аналоговую криптографию?
И вообще, утверждение, что самый «прожорливый» компонент в телефоне — это ADC, кажется несколько далеким от реальности.Pakos
10.07.2017 15:17самый «прожорливый» компонент в телефоне — это ADC
При базовой станции в 9м — да. Дальше он просто не тянет.
vasimv
09.07.2017 17:39«Разработчикам удалось избавиться от одного из самых прожорливых процессов в электронных компонентах сотового телефона — аналогово-цифрового преобразования.» — что-что?!?! Самые прожорливые процессы в сотовом телефоне — передача сигнала с выходной мощностью до нескольких ватт и экран. Аналого-цифровое преобразование вообще практически ничего не потребляет на этом фоне, как и цифро-аналоговое.
Serge78rus
09.07.2017 17:53+1«Прожорливый» экран — это необходимый элемент смартфона, но вовсе не телефона. Во всем остальном Вы, безусловно, правы.
AYrm
09.07.2017 22:06Если сделать матрицу без подсветки (на просвет) или e-ink, то это заметно снизит потребление.
zaq1xsw2cde3vfr4
09.07.2017 17:53Это чтоб на 1км от «базовой станции» отойти базовую станцию нужно питать от отдельной атомной электростанции…
Serge78rus
09.07.2017 17:58А подходя ближе к БС не забывать надевать шапочку из фольги.
scg
09.07.2017 23:12+2Она будет сгорать, как CD диск в микроволновке.
Jogger
09.07.2017 17:59+4Исследователи считают, что их работа станет первым шагом к созданию полноценного мобильного телефона без батарей, который сможет работать даже в отсутствие базовой станции. В конце концов, в городском пространстве и так очень много излучений, которые можно превращать в электричество.
Что-то мне это напоминает… Ах да, точно:
— Мне нужно для работы еще два года и 1 млн. долларов — но к настоящему моменту я построил модель для победы
сферического коня в вакууме.
DmitrySpb79
09.07.2017 18:14+4По-моему они просто соединили вместе DTFM-набиралку номера и детекторный приемник.
Нечто похожее (питание от радиоволн) описывалось еще в книге Полякова, хотя конечно прогресс в создании малопотребляющих устройств определенно есть.
С другой стороны, даже если сделают хотя бы датчик для метеостанции без батареек, уже будет большой прогресс — задолбало их менять.
iliasam
09.07.2017 19:16Датчик для метеостанции можно запитать от солнечной батареи: https://geektimes.ru/post/257738/
DmitrySpb79
09.07.2017 19:55Да, хорошее решение, но странно что производители до сих пор не озаботились чем-то подобным. Вроде схемы с микропотреблением вполне модная тема сегодня.
Zmiy666
09.07.2017 18:59ну идея неплоха, часто нужна звонилка, без наворотов, просто чтоб говорить/писать сообщения. Я бы добавил на плату десяток пъезогенераторов извлекающих энергию из вибраций, да и фотоэлементы были бы не лишними. А еще можно сделать телефон заводным как наручные часы — сначала заводишь пружину выдвижной ручкой, а дальше она крутит микрогенератор несколько часов, заряжая батарею конденсаторов. — :) Такой телефон извлекал бы достаточно энергии просто лежа на свету или в кармане джинсов, а в нужные моменты его и завести можно.
Столько энергии, что и на экран бы хватило, пусть и самый примитивный… и в качестве аккумулятора использовать конденсаторы, чтоб хватило надолго — их энергию можно использовать если связь хреновая и нужна большая мощность, например вне города.
rustavelli
09.07.2017 22:31+3это не сотовый телефон. У них получилась рация с дальностью 10 метров.
Сотовый жрет 1Вт при передаче. Ждите когда появятся wifi-mesh сети, тогда есть будет шанс позвонить по мессенджеру без батарейки.
kloppspb
10.07.2017 01:18А еще можно сделать телефон заводным как наручные часы
Это было в Симпсонах :)
hssergey
09.07.2017 21:48Красивая штука, но практически бесполезная. Поскольку требует для себя «базовую станцию» весьма неслабой мощности (она же должна питать «телефон»), при этом используется аналоговый сигнал, да еще и с амплитудной модуляцией. То есть все помехи напрямую пойдут в аудиосигнал, ну и подслушивать проще простого. В принципе, можно найти применение подобному устройству в качестве радиомикрофона или радиотрубки, не требующей для себя отдельного питания…
dmitry_ch
09.07.2017 23:27+1его вибрации преобразуются в изменения стандартного аналогового радиосигнала для базовой станции
Простите, что-что?
В общем, мы тут имеем дело не с телефоном как таковым, а с радиоудлинителем. Их масса с батареями внутри трубок, здесь имеем дело с трубкой без батареи (просто мощности хватает хоть на что-то). Ноудобства на улиценикакого сервиса такая трубка не дает (скажем, экранчик для контроля набираемых цифр не сделать) — из-за мощности.
Про то, как влияем излучаемая «базой» мощность на окружающее — думать не хочется. Напоминает детекторные радиоприемники, которые работали даже без батарей, просто на получаемой из воздуха энергии — там радиостанции зато излучали много энергии.
Помните?
ThunderCat
09.07.2017 23:49Имхо проще сделать пъезокнопки потуже, при таком потреблении набор номера и кнопка вызова сгенерируют достаточно энергии для недлинного разговора, а если еще приделать кнопку «подзарядки» как на фиджет кубе — вообще можно бесконечно говорить, и не нужна никакая базовая станция.
TheShock
10.07.2017 00:55Или сделать ручной генератор, как на фонариках?
Bonio
10.07.2017 01:36+3В телефоне нет микросхемы АЦП. Вместо этого антенна телефона подключается к электретному микрофону — и его вибрации преобразуются в изменения стандартного аналогового радиосигнала для базовой станции.
Телефоном это назвать нельзя, это, скорее, радиомикрофон. Я такие в детстве собирал, на двух транзисторах, с питанием от батарейки.
NumLock
10.07.2017 02:42Почему бы не упростить телефон и оставить только пластину как терменовском жучке и детекторный приёмник. Далее сказал номер той же СИРИ или АЛЕКСу установленного на стороне облучателя и разговаривай сколько хочешь. Выбор канала можно сделать с изменением геометрии пластины и перенастройкой КПЕ.
Marble13
10.07.2017 09:57Ученые назвали это неким прорывом в науке и шагом вперед к развитию. Но современные юзеры не представляют свою жизнь без смартфонов. Это как так: использовать тел только для совершения звонка? А посерфить в интернете, поделиться завтраком в инсте — не готовы они менять свой жизненный уклад=)
martin_wanderer
10.07.2017 11:10+1Более того, телефон — второстепенная функция смартфона. Навигация, чтение, словари, бронирование услуг, бесконтактная оплата, покупки в интернете, органайзер, почта и короткие сообщения — все это используется некоторыми людьми гораздо чаще, чем допотопная опция «позвонить». Ну или по крайней наравне с ней.
Pakos
10.07.2017 15:26Современные юзеры не представляют сотового телефона в режиме детекторного приёмника/дистанционного микрофона с частотным разделением и привязкой к БС на 10 метров, сотовой такая сеть быть не может (или будет аналогом громкой связи).
zagayevskiy
10.07.2017 17:48Вы так говорите "они", будто вы представитель некой высшей расы и всё человеческое вам чуждо.
amarao
10.07.2017 10:26+2Простите, так это сотовый телефон или рация? То есть он с базовой станцией общается или нет?
Если нет, то это развитие детекторого приёмника в «детекторный передатчик».
А если общается, то я не понимаю откуда берётся столько мощи, чтобы докричаться до базовой станции на 900 (1800 МГц).
tvi
10.07.2017 10:50+1Какая-то жуть. Идеи 50-летней давности позиционируются как что-то крутое. Существует целое направление «energy harvesting», у каждого крупного производителя под него есть и PMIC и микроконтроллеры(перекликаются отчасти с ble). Но сие поделие, на уровне картофелины.
clawham
10.07.2017 12:23+3я конечно извиняюсь но с какого перепугу это недоразумение вдруг вообще назнаво сотовым? Он никаким боком к GSM и SIMCARD не относится вообще нкиак — это просто наномощный микропередатчик с амплитудной модуляцией. мы такие в детстве делали обматывая углы комнаты катушками из пускателей — и работало. правда одновременнно только в одну сторону. собственно RFID метки такие же безаккумуляторные телефоны как и это недоразумение. Ниразу не понял в чем суперовость изобретения? то что смогли кроме самопитающегося передатчика запитать ещё и микромощный микроконтроллер чтоб лампочками моргал когда к сенсорным кнопкам дотрагиваешся и при этом поставили рядом микроволновку открытую?
Pakos
10.07.2017 15:35-1Ну в теории можно организовать соты — несколько станций на расстоянии до десяти метров, вещающих каждая аналогово в момент разговора, т.к. сервисного канала нет и станция не знает где юзер, то получается громкая связь — его проблемы услышать. каждый юзер — на своей частоте, у кого совпадает — могут слушать друг друга (и не должны оказываться в пределах одних БС), с соответствующей ёмкостью сети. Это и называется "полностью переосмыслить". Напоминает сюжет о школьниках по нашему ТВ, которые "изобрели" электромагнит, шёл он "прицепом" к какому-то болгеносу.
clawham
10.07.2017 15:59в теории то можно только это будет не GSM и не 4G а чтото типа WCDMA2 а мы знаем чем это все кончилось :)
yuukoku
10.07.2017 13:26В ближайшее время разработчики намерены внедрить в «телефон без батареек» схему шифрования связи, увеличить расстояние от базовой станции, добавить дисплей на электронных чернилах и возможность трансляции видео.
Я не понимаю какой смысл этого? Сначала выкинуть всё лишнее, потом опять добавить жрущие электричество экраны, камеры… И подать ещё это как инновацию. Британские ученые и наши нанотехнологи из Сколково отдыхают.
Alter2
10.07.2017 14:58+1Заголовок, конечно, жёлтый. Больше подошёл бы «Детекторный радиопередатчик без батареек».
Но в целом направление интересное. Если сделать корпус из солнечных батарей, а внутрь помимо антенны для извлечения энергии из окружающего электромагнитного фона и маятника с генератором запихнуть какой-нибудь ионистор для накопления энергии — вполне возможно будет совершить реальный звонок по мобильным сетям. Или отправить сообщение, набранное на eInc дисплее.
DandyAndy
10.07.2017 15:04Вчера, когда хотел послушать переговоры выступающих над Финским заливом "Стрижей", с удивлением обнаружил, что мой не очень новый Самсунговский монитор нехило так звенит на всём авиадиапазоне, и у самого возникли мысли в похожем направлении — запитывать этим беспроводные датчики для умных домов, а тут они даже до голосовой свзи дошли, молодцы!
fotofan
10.07.2017 17:49-1Вроде бы есть наработки по внедрению упрощённого аналога ФАР в мобильное устройство. Направленная передача сигнала — вполне себе способ радикально снизить энергозатраты
Zel
19.07.2017 10:27Товарищ Alizar, прошу прощения за занудство, но
Как считают эксперты из IEEE Spectrum, такая конструкция частично создана по образцу устройства пассивной прослушки, установленного российскими разведчиками в стол посольства американского посла в Москве в 1940-е годы.
имелись ввиду, наверное, советские разведчики? Или именно российские?
CrazyRoot
Параноики огорчены — теперь не достаточно вытащить батарею из телефона
GeckoPelt
Теперь, порой, она из него вообще не вынимается:)
twett
Клетка Фарадея им в помощь