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

Immaginate un mondo in cui l'aria intorno a voi non è solo piena di onde radio invisibili che trasportano musica o messaggi, ma anche di una tenue, invisibile corrente di energia capace di risvegliare un dispositivo in modalità standby. Questa è la promessa del trasferimento di energia wireless, un concetto che si è spostato dalla fantascienza alla realtà, permettendo a sensori e piccoli dispositivi elettronici di funzionare senza batterie. Per anni, gli scienziati si sono concentrati su due obiettivi separati: inviare energia ai dispositivi e utilizzare le onde radio per "vedere" il mondo circostante, come ad esempio rilevare il movimento o il respiro di una persona. Di solito, questi compiti richiedono attrezzature diverse. L'invio di energia necessita di un fascio forte e concentrato, mentre il rilevamento si basa spesso su ricevitori attivi e complessi che ascoltano echi deboli. La sfida è stata quella di combinare queste due funzioni in un unico sistema semplice, che sia sicuro per le persone, funzioni su lunghe distanze e non richieda una batteria dedicata o un computer chip complicato solo per percepire l'ambiente circostante.

Un team di ricercatori dell'Università di Glasgow e della Loughborough University ha compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema creando un sistema che svolge entrambe le funzioni contemporaneamente. Hanno sviluppato un metodo in cui un singolo dispositivo riceve energia dalle onde radio e, simultaneamente, utilizza le minuscole fluttuazioni di tale energia per percepire il proprio ambiente. La chiave del loro successo è una speciale lente, simile al vetro di un paio di occhiali ma realizzata in plastica e stampata in 3D, che concentra l'energia radio in entrata su una piccola serie di antenne. Questa configurazione permette al dispositivo di raccogliere abbastanza energia per alimentare un sensore anche quando si trova lontano, mentre l'atto stesso di ricevere tale energia rivela informazioni sulla stanza in cui si trova.

I ricercatori hanno costruito un sistema che opera a una specifica frequità di onde radio, utilizzando una lente stampata in 3D per raccogliere l'energia da molte direzioni diverse contemporaneamente. Invece di aver bisogno di una linea di vista perfetta e rettilinea tra la sorgente di energia e il ricevitore, la lente cattura le onde radio che rimbalzano su pareti e mobili, combinandole per creare un flusso di elettricità più forte e affidabile. Questo è fondamentale perché in una stanza reale, le onde radio raramente viaggiano in linea retta; esse si disperdono e si riflettono. Utilizzando più antenne dietro la lente, il sistema può sommare i minuscoli frammenti di potenza provenienti da tutte queste diverse riflessioni. Il risultato è un ricevitore molto più efficiente rispetto ai design precedenti, capace di generare una tensione sufficiente per alimentare un piccolo nodo sensore da una distanza di fino a 32 metri, ovvero circa 105 piedi, in uno spazio interno tipico.

Ciò che rende questo lavoro veramente innovativo è come il dispositivo percepisca l'ambiente senza necessitare di un'antenna di rilevamento separata o di un trasmettitore potente. Mentre una persona si muove nella stanza, essa blocca o riflette le onde radio che colpiscono la lente. Ciò causa un'oscillazione dell'energia che raggiunge il ricevitore secondo un modello specifico. I ricercatori hanno scoperto che queste minuscole fluttuazioni nella tensione in uscita contengono informazioni sufficienti per rilevare la presenza di una persona e persino tracciarne la posizione. In un esperimento, il sistema è stato abbastanza sensibile da rilevare il ritmo ascendente e discendente del torace di una persona mentre respirava, semplicemente analizzando le variazioni di tensione nella linea di alimentazione. Ciò significa che il dispositivo non sta solo caricando; sta anche agendo come un osservatore silenzioso e passivo dello spazio circostante.

Per dimostrare che questo concetto funziona nel mondo reale, il team lo ha testato in un lungo corridoio e in un atrio aperto. Hanno alimentato un piccolo sensore Bluetooth, che è il tipo di chip a basso consumo utilizzato nei fitness tracker e nei dispositivi per la casa intelligente, da una distanza di 22 metri in modo continuo e fino a 32 metri in brevi impulsi. Anche quando una persona camminava tra la sorgente di energia e il sensore, bloccando il percorso diretto, il sistema rimaneva operativo. Questa resilienza è dovuta alla lente che cattura l'energia dai percorsi riflessi che la persona non ha bloccato. I ricercatori hanno inoltre dimostrato che, utilizzando un modello di machine learning addestrato sui dati raccolti dal sensore, il sistema poteva identificare con precisiono in quale zona si trovasse una persona, raggiungendo un tasso di successo superiore al 90 percento. Tutto questo è stato fatto senza alcuna ulteriore dotazione hardware radio dedicata al rilevamento; il ricevitore di energia stesso forniva tutti i dati necessari.

Lo studio evidenzia un cambiamento nel modo in cui potremmo pensare alle reti wireless. Invece di costruire sistemi separati per la ricarica dei dispositivi e il monitoraggio degli ambienti, questo approccio suggerisce che il ricevitore di energia possa essere esso stesso il sensore. I ricercatori sono stati attenti a sottolineare che il loro sistema opera entro i rigorosi limiti di sicurezza per l'esposizione umana alle onde radio, garantendo che i livelli di energia rimangano sicuri anche quando le persone sono nelle vicinanze. Hanno dimostrato che, focalizzando l'energia con una lente e combinando la potenza da più angoli, potevano superare le solite limitazioni di distanza e di regolamenti sulla sicurezza. Sebbene il sistema attualmente si basi su un modello di machine learning che elabora i dati dopo che sono stati raccolti, il lavoro dimostra che i dati grezzi necessari per il rilevamento e la localizzazione senza contatto sono già presenti nell'uscita di potenza di un semplice ricevitore passivo.

Questa ricerca apre la strada a un futuro in cui i sensori nelle nostre case e nei nostri luoghi di lavoro non saranno solo alimentati da batterie che devono essere sostituite, ma saranno energizzati dalle stesse onde radio che riempiono il nostro ambiente. Trasformando l'atto di ricaricare in un atto di rilevamento, i ricercatori hanno dimostrato un modo per rendere le reti wireless più intelligenti ed efficienti. La capacità di rilevare il respiro, tracciare il movimento e alimentare i dispositivi simultaneamente, utilizzando un unico ricevitore passivo basato su lente, suggerisce una nuova era per l'Internet delle Cose, dove i dispositivi non sono solo connessi, ma sono anche consapevoli del proprio ambiente, il tutto funzionando grazie all'energia raccolta dall'aria.