Quasi-Optic, Radio Frequency Joint Wireless Power Transfer and Machine Learning-Enabled Sensing

Imaginez un monde où l'air autour de vous n'est pas seulement rempli d'ondes radio invisibles transportant de la musique ou des messages, mais aussi d'un courant d'énergie invisible et doux capable de réveiller un appareil en veille. C'est la promesse du transfert d'énergie sans fil, un concept qui est passé de la science-fiction à la réalité, permettant aux capteurs et aux petits appareils électroniques de fonctionner sans batteries. Pendant des années, les scientifiques se sont concentrés sur deux objectifs distincts : envoyer de l'énergie à des appareils et utiliser les ondes radio pour « voir » le monde environnant, comme détecter le mouvement ou la respiration d'une personne. Habitéralement, ces tâches nécessitent des équipements différents. L'envoi d'énergie nécessite un faisceau fort et focalisé, tandis que la détection repose souvent sur des récepteurs actifs complexes qui écoutent les échos ténus. Le défi consistait à combiner ces deux fonctions en un seul système simple, sûr pour les humains, capable de fonctionner sur de longues distances et ne nécessitant ni batterie dédiée, ni puce informatique compliquée pour simplement ressentir son environnement.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Glasgow et de l'Université de Loughborough a franchi une étape importante vers la résolution de ce problème en créant un système capable de faire les deux à la fois. Ils ont développé une méthode où un seul dispositif reçoit de l'énergie à partir d'ondes radio et utilise simultanément les infimes fluctuations de cette puissance pour détecter son environnement. La clé de leur succès est une lentille spéciale, semblable au verre d'une paire de lunettes mais fabriquée en plastique et imprimée en 3D, qui concentre l'énergie radio entrante sur un petit réseau d'antennes. Cette configuration permet au dispositif de récolter suffisamment d'énergie pour faire fonctionner un capteur même lorsqu'il est éloigné, tout en faisant en sorte que l'acte même de recevoir cette puissance révèle des informations sur la pièce dans laquelle il se trouve.

Les chercheurs ont construit un système qui fonctionne à une fréquence spécifique d'ondes radio, utilisant une lentille imprimée en 3D pour collecter l'énergie provenant de nombreuses directions à la fois. Au lieu d'avoir besoin d'une ligne de visée directe et parfaite entre la source d'énergie et le récepteur, la lentille capture les ondes radio qui rebondissent sur les murs et les meubles, les combinant pour créer un flux d'électricité plus fort et plus fiable. Cela est crucial car, dans une pièce réelle, les ondes radio voyagent rarement en ligne droite ; elles se dispersent et se réfléchissent. En utilisant plusieurs antennes derrière la lentille, le système peut sommer les minuscules fragments de puissance provenant de toutes ces différentes réflexions. Le résultat est un récepteur bien plus efficace que les conceptions précédentes, capable de générer une tension suffisante pour alimenter un nœud de capteur à une distance allant jusqu'à 32 mètres, soit environ 105 pieds, dans un espace intérieur typique.

Ce qui rend ce travail véritablement novateur, c'est la manière dont le dispositif détecte sans avoir besoin d'une antenne de détection séparée ou d'un émetteur puissant. Lorsqu'une personne se déplace dans la pièce, elle bloque ou réfléchit les ondes radio qui frappent la lentille. Cela provoque des oscillations spécifiques dans la quantité de puissance atteignant le récepteur. Les chercheurs ont découvert que ces infimes fluctuations de la tension de sortie du récepteur de puissance contiennent suffisamment d'informations pour détecter la présence d'une personne et même suivre sa localisation. Dans une expérience, le système était assez sensible pour détecter le mouvement rythmique de la poitrine d'une personne lors de sa respiration, simplement en analysant les changements de tension. Cela signifie que le dispositif ne se contente pas de charger ; il agit également comme un observateur silencieux et passif de l'espace environnant.

Pour prouver que ce concept fonctionne dans le monde réel, l'équipe a testé son système dans un long couloir et dans un atrium ouvert. Ils ont alimenté un petit capteur Bluetooth, qui est le type de puce à faible consommation utilisé dans les bracelets connectés et les appareils domestiques intelligents, à une distance de 22 mètres en continu et jusqu'à 32 mètres par intermittence. Même lorsqu'une personne passait entre la source d'énergie et le capteur, bloquant ainsi le chemin direct, le système restait opérationnel. Cette résilience est due à la lentille qui capture l'énergie des chemins réfléchis que la personne n'a pas bloqués. Les chercheurs ont également démontré qu'en utilisant un modèle d'apprentissage automatique entraîné sur les données collectées par le capteur, le système pouvait identifier avec précision dans quelle zone se trouvait une personne, atteignant un taux de réussite de plus de 90 %. Cela a été réalisé sans aucun matériel radio supplémentaire dédié à la détection ; le récepteur de puissance lui-même fournissait toutes les données nécessaires.

Cette étude met en lumière un changement dans notre façon de concevoir les réseaux sans fil. Au lieu de construire des systèmes séparés pour charger les appareils et surveiller les environnements, cette approche suggère que le récepteur de puissance peut être le capteur lui-même. Les chercheurs ont pris soin de noter que leur système fonctionne dans les limites strictes de sécurité concernant l'exposition humaine aux ondes radio, garantissant que les niveaux d'énergie restent sûrs même lorsque des personnes sont à proximité. Ils ont montré qu'en concentrant l'énergie avec une lentille et en combinant la puissance sous plusieurs angles, ils pouvaient surmonter les limitations habituelles de distance et de réglementation de sécurité. Bien que le système dépende actuellement d'un modèle d'apprentissage automatique qui traite les données après leur collecte, ce travail prouve que les données brutes nécessaires pour la détection sans contact et la localisation sont déjà présentes dans la puissance de sortie d'un simple récepteur passif à base de lentille.

Cette recherche ouvre la voie à un avenir où les capteurs de nos maisons et de nos lieux de travail ne seront pas seulement alimentés par des batteries qu'il faut remplacer, mais seront énergisés par les ondes radio mêmes qui remplissent notre environnement. En transformant l'acte de charge en un acte de détection, les chercheurs ont démontré un moyen de rendre les réseaux sans fil plus intelligents et plus efficaces. La capacité de détecter la respiration, de suivre les mouvements et d'alimenter des appareils simultanément, grâce à un seul récepteur passif à base de lentille, suggère une nouvelle ère pour l'Internet des Objets, où les appareils ne sont pas seulement connectés, mais aussi conscients de leur environnement, tout en fonctionnant grâce à l'énergie récoltée dans l'air.