Quasi-Optic, Radio Frequency Joint Wireless Power Transfer and Machine Learning-Enabled Sensing
تقدم هذه الورقة نظاماً للترددات الراديوية شبه بصري متعدد المستقبلات، يقوم في آن واحد بتوصيل الطاقة اللاسلكية للأجهزة البعيدة ويُمكّن من الاستشعار البيئي القائم على تعلم الآلة، مثل اكتشاف التنفس وتحديد مواقع الأشخاص، وذلك من خلال تحليل تقلبات خرج الطاقة دون الحاجوثاجة إلى مستقبلات نشطة مخصصة أو سلاسل إرسال واستقبال إضافية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً لا يمتلئ الهواء من حولك بموجات الراديو غير المرئية التي تحمل الموسيقى أو الرسائل فحسب، بل أيضاً بتيار خفي ولطيف من الطاقة القادر على إيقاظ جهاز نائم. هذا هو الوعد الذي يقدمه نقل الطاقة لاسلكياً، وهو مفهوم انتقل من الخيال العلمي إلى الواقع، مما يسمح للمستشعرات والإلكترونيات الصغيرة بالعمل دون بطاريات. لسنوات طويلة، ركز العلماء على هدفين منفصلين: إرسال الطاقة إلى الأجهزة واستخدام موجات الراديو لـ "رؤية" العالم من حولهم، مثل اكتشاف حركة شخص ما أو تنفسه. عادةً ما تتطلب هذه المهام معدات مختلفة؛ فإرسال الطاقة يحتاج إلى شعاع قوي ومركز، بينما يعتمد الاستشعار غالباً على أجهزة استقبال نشطة ومعقدة تستمع إلى الأصداء الخافتة. وكان التحدي يكمن في دمج هاتين الوظيفتين في نظام واحد بسيط، يكون آمناً للبشر، ويعمل عبر مسافات طويلة، ولا يتطلب بطارية مخصصة أو شريحة كمبيوتر معقدة لمجرد استشعار محيطه.
لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة غلاسكو وجامعة لوفبرا كبسة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نظام يقوم بالمهمتين في آن واحد. فقد طوروا طريقة يستقبل من خلالها جهاز واحد الطاقة من موجات الراديو، ويستخدم في الوقت نفسه التقلبات الضئية في تلك الطاقة لاستشعار بيئته. ويكمن مفتاح نجاحهم في عدسة خاصة، تشبه العدسات الزجاجية في النظارات الطبية ولكنها مصنوعة من البلاستيل ومطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، تعمل على تركيز طاقة الراديو الواردة على مصفوفة صغيرة من الهوائيات. يسمح هذا الإعداد للجهاز بحصد طاقة كافية لتشغيل مستشعر حتى عندما يكون بعيداً، بينما عملية استقبال تلك الطاقة نفسها تكشف معلومات عن الغرفة التي يتواجد فيها.
قام الباحثون ببناء نظام يعمل بتردد محدد من موجات الراديو، باستخدام عدسة مطبوعة ثلاثية الأبعاد لجمع الطاقة من اتجاهات مختلفة في آن واحد. وبدلاً من الحاجة إلى خط رؤية مباشر ومثالي بين مصدر الطاقة والمستقبل، تلتقط العدسة موجات الراديو التي ترتد عن الجدران والأثاث، وتدمجها لتكوين تدفق أقوى وأكثر موثوقية للكهرباء. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن موجات الراديو نادراً ما تسير في خط مستقيم في غرفة حقيقية؛ فهي تتشتت وتنعكس. ومن خلال استخدام هوائيات متعددة خلف العدسة، يمكن للنظام جمع الأجزاء الصغيرة من الطاقة القادمة من كل هذه الانعكاسات المختلفة. والنتيجة هي مستقبل أكثر كفاءة بكثير من التصميمات السابقة، قادر على توليد جهد كهربائي كافٍ لتشغيل عقدة مستشعر صغيرة من مسافة تصل إلى 32 متراً، أي حوالي 105 أقدام، في مساحة داخلية نموذجية.
ما يجعل هذا العمل مبتكراً حقاً هو كيف يقوم الجهاز بالاستشعار دون الحاجة إلى هوائي استشعار منفصل أو جهاز إرسال قوي. فعندما يتحرك شخص ما في الغرفة، فإنه يحجب أو يعكس موجات الراديو التي تصطدم بالعدسة. ويتسبب ذلك في تذبذب كمية الطاقة التي تصل إلى المستقبل صعوداً وهبوطاً في نمط محدد. وقد وجد الباحثون أن هذه التقلبات الضئيلة في خرج الجهد الكهربائي لجهاز استقبال الطاقة تحتوي على معلومات كافية لاكتشاف وجود شخص ما وحتى تتبع موقعه. وفي إحدى التجارب، كان النظام حساساً بما يكفي لاكتشاف الارتفاع والانخفاض الإيقاعي لصدر الشخص أثناء تنفسه، وذلك ببساطة من خلال تحليل تغيرات الجهد في خط الطاقة. وهذا يعني أن الجهاز لا يقوم بالشحن فحسب، بل يعمل أيضاً كمراقب صامت للمساحة المحيطة به.
ولإثبات نجاح هذا المفهوم في العالم الحقيقي، اختبر الفريق نظامهم في ممر طويل وردهة مفتوحة. فقد قاموا بتشغيل مستشعر بلوتوث صغير، وهو نوع من الشرائح منخفضة الطاقة المستخدمة في أجهزة تتبع اللياقة البدنية والأجهزة المنزلية الذكية، من مسافة 22 متراً بشكل مستمر، وما يصل إلى 32 متراً في دفعات قصيرة. وحتى عندما سار شخص ما بين مصدر الطاقة والمستشعر، مما أدى إلى حجب المسار المباشر، ظل النظام يعمل. ويرجع هذا الصمود إلى قدرة العدسة على التقاط الطاقة من المسارات المنعكسة التي لم يحجبها الشخص. كما أظهر الباحثون أنه باستخدام نموذج تعلم آلي تم تدريبه على البيانات التي جمعها المستشعر، استطاع النظام تحديد المنطقة التي يقف فيها الشخص بدقة، محققاً نسبة نجاح تتجاوز 90 في المئة. وقد تم ذلك دون أي أجهزة راديو إضافية مخصصة للاستشعار؛ حيث وفر مستقبل الطاقة نفسه جميع البيانات اللازمة.
تسلط هذه الدراسة الضوء على تحول في كيفية تفكيرنا في الشبكات اللاسلكية. فبدلاً من بناء أنظمة منفصلة لشحن الأجهزة ومراقبة البيئات، يشير هذا النهج إلى أن مستقبل استقبال الطاقة يمكن أن يكون هو نفسه المستشعر. وقد حرص الباحثون على ملاحظة أن نظامهم يعمل ضمن حدود السلامة الصارمة للتعرض لموجات الراديو البشرية، مما يضمن بقاء مستويات الطاقة آمنة حتى عند وجود أشخاص بالقرب منها. وقد أظهروا أنه من خلال تركيز الطاقة باستخدام عدسة ودمج الطاقة من زوايا متعددة، يمكنهم التغلب على القيود المعتادة للمسافة ولوائح السلامة. وبينما يعتمد النظام حالياً على نموذج تعلم آلي يعالج البيانات بعد جمعها، فإن العمل يثبت أن البيانات الخام اللازمة للاستشعار والتموضع بدون تلامس موجودة بالفعل في خرج الطاقة لمستقبل سلبي بسيط.
يفتح هذا البحث مساراً نحو مستقبل لا تكون فيه المستشعرات في منازلنا وأماكن عملنا مجرد أجهزة تعمل ببطاريات تحتاج إلى استبدال، بل يتم تزويدها بالطاقة من موجات الراديو التي تملأ بيئتنا. ومن خلال تحويل عملية الشحن إلى عملية استشعار، أثبت الباحثون طريقة تجعل الشبكات اللاسلكية أكثر ذكاءً وكفاءة. إن القدرة على اكتشاف التنفس، وتتبع الحركة، وتزويد الأجهزة بالطاقة في آن واحد باستخدام مستقبل واحد يعتمد على العدسة والعمل السلبي، تشير إلى عصر جديد لإنترنت الأشياء، حيث لا تكون الأجهزة متصلة فحسب، بل واعية أيضاً بمحيطها، وكل ذلك وهي تعمل بالطاقة المستمدة من الهواء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.