了解隔空充電技術(shù)原理，才能告別輻射焦慮

此前，小米和摩托羅拉相繼發(fā)布了隔空充電技術(shù)。我們可以真正擺脫充電線的制約了嗎？使用起來會(huì)有輻射嗎？

“我想知道它從哪兒充電。”

“充……電？”護(hù)士生澀地重復(fù)著這個(gè)她顯然第一次聽到的詞。

“就是Charge、Recharge?！绷_輯提示說，護(hù)士仍然迷惑地?fù)u搖頭。

“不是充電式的……那里面的電池用完了怎么辦呢？”

“電池？”

“就是Battery呀，你們現(xiàn)在沒有電池了嗎？”看到護(hù)士又搖頭，羅輯說，“那這杯子里的電從哪兒來？”

“電？到處都有電啊?！弊o(hù)士很不以為然地說。

“杯子里的電用不完？”

“用不完?！弊o(hù)士點(diǎn)點(diǎn)頭說。

“永遠(yuǎn)用不完？”

“永遠(yuǎn)用不完，電怎么會(huì)用完呢。

——《三體2黑暗森林》選段

撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭

新媒體編輯/房永珍

小說《三體》當(dāng)中，危機(jī)紀(jì)元205年，主角羅輯從冬眠中蘇醒，驚奇地發(fā)現(xiàn)所有電子產(chǎn)品都擁有了無限電能，后來才弄清是隔空充電和核電技術(shù)的功勞。

而如今，手機(jī)隔空充電技術(shù)有望正式商用，科幻小說的內(nèi)容場景正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。設(shè)備只要處于具備隔空充電條件的環(huán)境中，便悄無聲息地自動(dòng)充電，電量“永遠(yuǎn)用不完”也將成為現(xiàn)實(shí)。

但任何新技術(shù)的開端都不會(huì)一帆風(fēng)順，隔空充電商用背后，是理想與現(xiàn)實(shí)之間仍需跨越的“鴻溝”。

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「隔空充電」并不科幻

隔空充電技術(shù)其實(shí)并沒有那么科幻，因?yàn)樗谋举|(zhì)還是無線充電。

而無線充電技術(shù)也算不上什么黑科技，早在一百多年前，美國電磁學(xué)家特斯拉就發(fā)現(xiàn)，在不用任何導(dǎo)線的情況之下，就可以點(diǎn)亮一顆燈泡，這就是無線充電技術(shù)的原型。

在電子產(chǎn)品尚未普及的十九世紀(jì)，特斯拉的發(fā)明并不具有任何商業(yè)價(jià)值和產(chǎn)業(yè)效應(yīng)。但如今時(shí)間已經(jīng)來到了2021年，包括手機(jī)、汽車在內(nèi)，無線充電技術(shù)已經(jīng)普及應(yīng)用，按照技術(shù)原理可以分為三大類即電磁感應(yīng)式、電磁共振式和無線電波式。

▲無線充電技術(shù)原理最早被證實(shí)可行是在2007年麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，研究員利用銅制線圈作為電磁共振器，實(shí)現(xiàn)了無線電力傳導(dǎo)。但直到10年后，蘋果才將技術(shù)大規(guī)模商用，可見無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用量產(chǎn)，其難度之大。圖為電磁感應(yīng)式無線充電。

電磁感應(yīng)式，其實(shí)就是我們常見的無線充電功能，尤其是最近三四年的時(shí)間里，無線充電幾乎成為每個(gè)手機(jī)廠商必備的一項(xiàng)能力。這種原理并不復(fù)雜：電流通過線圈，線圈產(chǎn)生磁場，磁場對附近線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢從而產(chǎn)生電流。

這種技術(shù)原理簡單，成本較低，轉(zhuǎn)化率通常在70%以上，所以現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛普及。但電磁感應(yīng)充電缺點(diǎn)也挺明顯，它要求手機(jī)必須要和充電板緊密貼合，傳輸距離也比較短，而金屬感應(yīng)接觸還會(huì)產(chǎn)生熱量造成發(fā)熱現(xiàn)象。

▲電磁共振式無線充電技術(shù)比電磁感應(yīng)式充電更先進(jìn)

于是，比電磁感應(yīng)式充電更先進(jìn)的電磁共振式無線充電技術(shù)誕生了。他的原理是發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端，由共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。相比電磁感應(yīng)技術(shù)，電磁共振技術(shù)顯然更聰明了，它無需對齊位置充電，并能在更大的范圍內(nèi)（允許10cm左右）實(shí)現(xiàn)能量傳遞，但缺點(diǎn)是充電效率較低，并且距離越遠(yuǎn)，傳輸功率越大，損耗也就越大。

實(shí)際上，無論是電磁感應(yīng)還是電磁共振式，兩種無線充電技術(shù)，本質(zhì)上都并非真正的“無線”，仍然需要設(shè)備與充電底座保持一定距離。這讓可以擺脫距離限制的無線射頻技術(shù)，有了后來居上的可能。

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從「天女散花」到「定向送達(dá)」

1月29日，沒落的手機(jī)巨頭摩托羅拉發(fā)布了一套隔空充電的解決方案，根據(jù)演示視頻來看，把兩臺motorola edge手機(jī)分別放在距離充電發(fā)射器1米與80厘米處，手機(jī)便可以自動(dòng)開始充電。

但這樣看來，似乎小米的隔空充電技術(shù)“更加靈活”——1月29日當(dāng)天，小米同樣發(fā)布了自己的隔空充電技術(shù)。作為對比，小米隔空充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)米半徑內(nèi)+單設(shè)備5瓦遠(yuǎn)距離充電，同時(shí)還支持多設(shè)備各自分配5瓦同時(shí)充電，甚至異物遮擋也不降低充電效率。

科普達(dá)人、通信專業(yè)教師張弛（奧卡姆剃刀）表示，這種全新的隔空充電技術(shù)，業(yè)界叫做無線電波式，是無線射頻技術(shù)的一種延伸。他通過發(fā)射裝置的天線輻射無線電波，接收裝置接收無線電波上的承載能量。

從原理上講，這其實(shí)與我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中常用的遙控器原理有一些類似。但與遙控器不同的是，從已知的資料上來看，小米隔空充電傳遞的能量，并不是遙控器上的紅外線，而是以毫米波極窄波束的形式傳遞給手機(jī)。

聽到毫米波是不是很眼熟？沒錯(cuò)，這就是5G通信最鐘愛的毫米波，它具有頻段高、干擾源少的特點(diǎn)，所以傳播穩(wěn)定可靠。

除了應(yīng)用毫米波雷達(dá)以外，在信號發(fā)射和接收端，小米自研的隔空充電樁內(nèi)置了5個(gè)相位干涉天線，可以精準(zhǔn)探測手機(jī)位置，144根發(fā)射天線，構(gòu)成了相位控制陣列將毫米波發(fā)射。

在接收端，手機(jī)內(nèi)置了14根天線，可以把隔空發(fā)射的毫米波信號，通過整流電路轉(zhuǎn)化為電能，最終達(dá)到隔空充電的效果。

▲2017 年的國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，美國公司Energous 展示了隔空充電技術(shù) WattUp，通過特定的內(nèi)置芯片，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離隔空給多臺設(shè)備充電。

“其實(shí)非常簡單，就是把電燈泡變成了手電筒，把向四處發(fā)散的能量，集中在一個(gè)方向上。這樣天女散花變成了定向送達(dá)，接收效率自然就會(huì)大大提升了?！睆埑诮榻B到。

其實(shí)隔空充電技術(shù)在國外早有布局：早在2012年，以色列wi-charge公司就研發(fā)了隔空充電產(chǎn)品，只不過是利用紅外線作為能量媒介；2017 年的國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，美國公司Energous 展示了隔空充電技術(shù) WattUp，通過特定的內(nèi)置芯片，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離隔空給多臺設(shè)備充電。

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輻射？不能夠的

在無線充電、隔空充電技術(shù)的發(fā)展過程中，不乏許多關(guān)于該技術(shù)的質(zhì)疑聲，大部分聲音和討論，集中在是否對人體健康產(chǎn)生影響上，而這種影響因素正是輻射。

無論哪種方法的隔空充電（無線充電），它的技術(shù)基礎(chǔ)都離不開電磁波，電磁波會(huì)產(chǎn)生輻射，頻率越高、能量越大、相對應(yīng)的輻射也就越強(qiáng)。對人體而言，過量吸收電磁波，的確會(huì)促使發(fā)生原子和分子電離，破壞原有的化學(xué)鍵，導(dǎo)致細(xì)胞或器官受到損害。

所以當(dāng)你每天穿梭在144根天線發(fā)射的射頻矩陣中時(shí)，真的會(huì)被輻射所影響嗎？

對此張弛表示，討論輻射對人體的影響是不能忽視輻射量的，就目前小米發(fā)布的解決方案來看，充電的功率只有5W，還不如一個(gè)電燈泡功率高，對人體的影響可以忽略不計(jì)。

輻射標(biāo)準(zhǔn)與空間面積也有關(guān)系，根據(jù)國際非電離性輻射委員會(huì)制定的安全上限，人體承受的安全輻射范圍為10w/平方米。按照一般家庭住房面積90平米計(jì)算，普通居民家中可以承受的輻射功率，最大為900w左右。但隔空充電的充電樁，根據(jù)推算最高發(fā)射功率只有25w，所以依然是安全的。

至于毫米波輻射，目前沒有任何一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，毫米波會(huì)帶來輻射，或者說毫米波的輻射會(huì)給人體健康帶來怎樣的負(fù)面影響。一些實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，人體持續(xù)8小時(shí)在60 GHz 毫米波的輻射影響下，皮膚溫度也僅僅上升了0.1-0.5度，與輻射受損相差甚遠(yuǎn)。

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「技術(shù)」和「成本」仍待完善

無線電波式充電技術(shù)，第一次真正擺脫了線纜和距離的束縛，做到了“真無線”，是未來最有前途的充電方式。但隔空充電技術(shù)在充電功率、轉(zhuǎn)化率、技術(shù)和成本等許多方面仍待完善。如果解決不了這些問題，真正大規(guī)模商用落地，依然阻力重重。

充電效率和轉(zhuǎn)化率方面的問題，張弛表示，因?yàn)闊o線電波能量散布在整個(gè)空中，距離發(fā)射源越遠(yuǎn)，單位面積所能獲得的能量就越低，衰減速度與距離的平方成正比，也就是說絕大部分能量都浪費(fèi)在空中了，轉(zhuǎn)化效率非常低。

這也就不難解釋，為何在百瓦快充技術(shù)當(dāng)?shù)赖漠?dāng)下，隔空充電功率只有5W，相當(dāng)于數(shù)年前5V1A的慢充水平。

▲隔空充電技術(shù)在汽車行業(yè)也有所應(yīng)用

技術(shù)方面，北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)攻防對抗技術(shù)研究所所長閆懷志認(rèn)為，無線充電涉及的電能信號無線發(fā)射、高頻轉(zhuǎn)換、耦合線圈設(shè)計(jì)、系統(tǒng)協(xié)同控制、電磁屏蔽以及電磁干擾等諸多技術(shù)都不成熟。電磁屏蔽、功率不足、頻率不穩(wěn)等諸多因素，都會(huì)對使用效果產(chǎn)生致命影響。

至于公眾最關(guān)心的成本方面，小米目前采用的144根天線的相控陣技術(shù)，其實(shí)是一種軍用技術(shù)，并未真正轉(zhuǎn)化為民用，成本十分高昂。更不要說這其中還有充電樁的價(jià)格，必然帶動(dòng)手機(jī)和零部件價(jià)格的整體提升。

試想一下，為5W的充電多買單幾千元，普通消費(fèi)者能接受嗎？

總而言之，就像當(dāng)年的有線電話被無線電話替代一樣，無線充電將替代有線充電，或許也是未來科技發(fā)展的必然方向之一，而基于用戶的體驗(yàn)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，才能真正化繁為簡，不斷地成熟和普及。

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報(bào) | 科學(xué)加客戶端

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