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

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया जहाँ आपके चारों ओर की हवा केवल संगीत या संदेशों से भरी अदृश्य रेडियो तरंगों से ही नहीं, बल्कि ऊर्जा की एक सौम्य, अदृश्य धारा से भी भरी है जो एक सोए हुए उपकरण को जगाने में सक्षम है। यह वायरलेस पावर ट्रांसफर (वायरलेस शक्ति हस्तांतरण) का वादा है, एक ऐसी अवधारणा जो विज्ञान कथा से वास्तविकता में बदल गई है, जिससे सेंसर और छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स बिना बैटरी के चल सकते हैं। वर्षों से, वैज्ञानिक दो अलग-अलग लक्ष्यों पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं: उपकरणों को शक्ति भेजना और दुनिया को "देखने" के लिए रेडियो तरंगों का उपयोग करना, जैसे कि किसी व्यक्ति की गति या सांस लेने का पता लगाना। आमतौर पर, इन कार्यों के लिए अलग-अलग उपकरणों की आवश्यकता होती है। शक्ति भेजने के लिए एक मजबूत, केंद्रित बीम की आवश्यकता होती है, जबकि सेंसिंग (सेंसिंग) अक्सर जटिल, सक्रिय रिसीवर पर निर्भर करती है जो मंद प्रतिध्वनियों को सुनते हैं। चुनौती इन दोनों कार्यों को एक एकल, सरल प्रणाली में संयोजित करने की रही है जो मनुष्यों के लिए सुरक्षित हो, लंबी दूरी तक काम करे, और जिसे अपने परिवेश को महसूस करने के लिए समर्पित बैटरी या जटिल कंप्यूटर चिप की आवश्यकता न हो।

ग्लासगो और लफबरो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो एक साथ ये दोनों कार्य करता है। उन्होंने एक ऐसी विधि विकसित की है जहाँ एक एकल उपकरण रेडियो तरंगों से शक्ति प्राप्त करता है और साथ ही उस शक्ति में होने वाले सूक्ष्म उतार-चढ़ाव का उपयोग अपने परिवेश को महसूस करने के लिए करता है। उनकी सफलता की कुंजी एक विशेष लेंस है, जो चश्मे के कांच के समान है लेकिन प्लास्टिक से बना है और 3D प्रिंटेड है, जो आने वाली रेडियो ऊर्जा को एंटीना के एक छोटे समूह पर केंद्रित करता है। यह सेटअप उपकरण को तब भी पर्याप्त ऊर्जा एकत्र करने की अनुमति देता है जब वह दूर हो, और शक्ति प्राप्त करने की प्रक्रिया ही कमरे के बारे में जानकारी प्रकट कर देती है।

शोधकर्ताओं ने एक प्रणाली बनाई है जो रेडियो तरंगों की एक विशिष्ट आवृत्ति पर कार्य करती है, जिसमें कई अलग-अलग दिशाओं से ऊर्जा एकत्र करने के लिए 3D-प्रिंटेड लेंस का उपयोग किया गया है। पावर स्रोत और रिसीवर के बीच एक सीधी रेखा (लाइन ऑफ साइट) की आवश्यकता के बजाय, लेंस उन रेडियो तरंगों को पकड़ता है जो दीवारों और फर्नीचर से टकराकर वापस आती हैं, और उन्हें जोड़कर बिजली का एक मजबूत, अधिक विश्वसनीय प्रवाह बनाता है। यह इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि एक वास्तविक कमरे में, रेडियो तरंगें शायद ही कभी सीधी रेखा में चलती हैं; वे बिखर जाती हैं और परावर्तित होती हैं। लेंस के पीछे कई एंटीना का उपयोग करके, सिस्टम इन सभी विभिन्न परावर्तनों से आने वाले शक्ति के सूक्ष्म अंशों को जोड़ सकता है। परिणाम यह है कि एक ऐसा रिसीवर जो पिछले डिजाइनों की तुलना में बहुत अधिक कुशल है, जो एक सामान्य इनडोर स्थान में 32 मीटर, या लगभग 105 फीट की दूरी से एक छोटे सेंसर नोड को चलाने के लिए पर्याप्त वोल्टेज उत्पन्न करने में सक्षम है।

जो इस कार्य को वास्तव में अभिनव बनाता है वह यह है कि यह उपकरण बिना किसी अलग सेंसिंग एंटीना या शक्तिशाली ट्रांसमीटर के कैसे महसूस करता है। जैसे ही कोई व्यक्ति कमरे में घूमता है, वह लेंस से टकराने वाली रेडियो तरंगों को रोकता या परावर्तित करता है। इससे रिसीवर तक पहुँचने वाली शक्ति की मात्रा एक विशिष्ट पैटर्न में ऊपर-नीचे होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पावर रिसीवर के वोल्टेज आउटपुट में ये सूक्ष्म उतार-चढ़ाव किसी व्यक्ति की उपस्थिति का पता लगाने और यहाँ तक कि उसके स्थान को ट्रैक करने के लिए पर्याप्त जानकारी रखते हैं। एक प्रयोग में, सिस्टम इतना संवेदनशील था कि उसने एक व्यक्ति के सीने के लयबद्ध उतार-चढ़ाव (सांस लेने) को पहचान लिया, और यह सब केवल पावर लाइन में वोल्टेज परिवर्तनों का विश्लेषण करके किया गया। इसका अर्थ है कि डिवाइस न केवल चार्ज हो रहा है; बल्कि यह अपने आसपास के स्थान का एक मौन, निष्क्रिय प्रेक्षक (observer) के रूप में भी कार्य कर रहा है।

इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया में सिद्ध करने के लिए, टीम ने एक लंबे गलियारे और एक खुले एट्रियम में अपने सिस्टम का परीक्षण किया। उन्होंने एक छोटे ब्लूटूथ सेंसर को, जो फिटनेस ट्रैकर्स और स्मार्ट होम उपकरणों में उपयोग किया जाने वाला कम शक्ति वाला चिप है, 22 मीटर की दूरी से निरंतर और 32 मीटर तक थोड़े समय के लिए अंतराल पर संचालित किया। यहाँ तक कि जब एक व्यक्ति सीधे पथ को बाधित करते हुए पावर स्रोत और सेंसर के बीच से गुजरा, तब भी सिस्टम चालू रहा। यह लचीलापन लेंस द्वारा परावर्तित पथों से ऊर्जा कैप्चर करने के कारण संभव हुआ, जिन्हें व्यक्ति ने बाधित नहीं किया था। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि एक मशीन लर्निंग मॉडल का उपयोग करके, जिसे सेंसर से एकत्र किए गए डेटा पर प्रशिक्षित किया गया था, सिस्टम सटीक रूप से पहचान सकता था कि व्यक्ति किस ज़ोन में खड़ा है, और इसने 90 प्रतिशत से अधिक की सफलता दर हासिल की। यह बिना किसी अतिरिक्त रेडियो हार्डवेयर के किया गया था जो विशेष रूप से सेंसिंग के लिए समर्पित हो; पावर रिसीवर ने ही सारा आवश्यक डेटा प्रदान किया।

यह अध्ययन इस बारे में हमारे सोचने के तरीके में एक बदलाव को उजागर करता है कि वायरलेस नेटवर्क कैसे हो सकते हैं। उपकरणों को चार्ज करने और वातावरण की निगरानी करने के लिए अलग-अलग सिस्टम बनाने के बजाय, यह दृष्टिकोण सुझाव देता है कि पावर रिसीवर स्वयं सेंसर हो सकता है। शोधकर्ता इस बात को लेकर सतर्क थे कि उनका सिस्टम रेडियो तरंगों के मानव संपर्क के सख्त सुरक्षा मानकों के भीतर काम करता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि ऊर्जा का स्तर लोगों के पास होने पर भी सुरक्षित रहे। उन्होंने दिखाया कि ऊर्जा को लेंस के साथ केंद्रित करके और कई कोणों से शक्ति को जोड़कर, वे दूरी और सुरक्षा नियमों की सामान्य सीमाओं को पार कर सकते हैं। हालाँकि वर्तमान में सिस्टम एक मशीन लर्निंग मॉडल पर निर्भर करता है जो डेटा एकत्र होने के बाद उसे प्रोसेस करता है, लेकिन यह कार्य सिद्ध करता है कि कॉन्टैक्टलेस सेंसिंग और लोकलाइजेशन के लिए आवश्यक कच्चा डेटा (raw data) एक साधारण, निष्क्रिय रिसीवर के पावर आउटपुट में पहले से ही मौजूद है।

यह शोध एक ऐसे भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ हमारे घरों और कार्यस्थलों में सेंसर केवल उन बैटरियों पर निर्भर नहीं होंगे जिन्हें बदलने की आवश्यकता होती है, बल्कि वे उन रेडियो तरंगों से ऊर्जा प्राप्त करेंगे जो हमारे वातावरण को भरती हैं। चार्जिंग की क्रिया को सेंसिंग की क्रिया में बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि कैसे वायरलेस नेटवर्क को अधिक बुद्धिमान और कुशल बनाया जा सकता है। सांस लेने का पता लगाने, गति को ट्रैक करने और एक साथ उपकरणों को शक्ति देने की क्षमता—एक एकल, निष्क्रिय लेंस-आधारित रिसीवर का उपयोग करके—इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के एक नए युग का सुझाव देती है, जहाँ उपकरण न केवल जुड़े हुए हैं, बल्कि अपने परिवेश के प्रति जागरूक भी हैं, और यह सब हवा से प्राप्त ऊर्जा पर चल रहे हैं।