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

周囲の空気が、単に音楽やメッセージを運ぶ目に見えない電波で満たされているだけでなく、眠っているデバイスを呼び起こすことができる、穏やかで目に見えないエネルギーの流れで満たされている世界を想像してみてください。これは、センサーや小型電子機器が電池なしで動作することを可能にする、サイエンス・フィクションから現実へと移り変わった概念である、ワイヤレス電力伝送の約束です。長年、科学者たちは二つの異なる目標に焦点を当ててきました。それは、デバイスに電力を送ることと、電波を使用して人の動きや呼吸などの周囲の世界を「見る」ことです。通常、これらのタスクには異なる装置が必要です。電力を送るには強力で集中したビームが必要ですが、センシング（感知）は多くの場合、微かなエコーを聞き取るための複雑で能動的な受信機に依存します。課題は、これら二つの機能を、人に対して安全で、長距離でも機能し、周囲を感知するためだけに専用のバッテリーや複雑なコンピュータチップを必要としない、単一のシンプルなシステムへと統合することでした。

グラスゴー大学とラフバラ大学の研究チームは、これら両方を同時に行うシステムを開発することで、この問題の解決に向けた大きな一歩を踏み出しました。彼らは、単一のデバイスが電波から電力を受け取り、同時にその電力の極めて小さな変動を利用して周囲の環境を感知する手法を開発しました。成功の鍵となったのは、眼鏡のレンズに似た、プラスチック製で3Dプリントされた特殊なレンズであり、これが入射する電波を小さなアンテナ配列へと集約します。このセットアップにより、デバイスは遠方に位置していてもセンサーを動かすのに十分なエネルギーを収穫でき、さらに、その電力を受け取るという行為自体が、その部屋に関する情報を明らかにするのです。

研究者たちは、特定の周波数の電波で作動するシステムを構築し、3Dプリントされたレンズを使用して、多くの異なる方向から同時にエネルギーを集めるようにしました。電源と受信器の間に完璧な直線的な視界（ライン・オブ・サイト）を必要とする代わりに、このレンズは壁や家具に跳ね返った電波を捉え、それらを結合して、より強力で信頼性の高い電力の流れを作り出します。これは極めて重要です。なぜなら、現実の部屋では、電波は決して直線的には進まず、散乱し、反射するからです。レンズの後ろに複数のアンテナを配置することで、システムはこれらすべての異なる反射から来る微かな電力の断片を合計することができます。その結果、受信機は以前のデザインよりもはるかに効率的になり、一般的な屋内空間において、最大32メートル（約105フィート）の距離から小型のセンサーノードに電圧を生成して電力を供給することが可能になりました。

この仕組みを真に斬新なものにしているのは、別のセンシング用アンテナや強力な送信機を必要とせずに、デバイスが感知を行う点です。人が部屋の中を移動すると、レンズに当たる電波を遮ったり反射したりします。これにより、受信機に到達する電力の量が特定のパターンに従って上下に揺れ動きます。研究者たちは、電力受信機の電圧出力におけるこれらの微かな変動の中に、人の存在を検知し、さらにはその位置を追跡するのに十分な情報が含まれていることを見出しました。ある実験では、システムは、人が呼吸する際の胸の規則的な上下運動さえも、電力ラインの電圧変化を分析するだけで検知できるほど敏感でした。これは、デバイスが単に充電しているだけでなく、周囲の空間の静かで受動的な観測者としても機能していることを意味します。

このコンセプトが実世界で機能することを証明するために、チームは長い廊下とオープンなアトリウムでシステムをテストしました。彼らは、フィットネストラッカーやスマートホームデバイスに使用されるような低電力チップである小型のBluetoothセンサーに対し、22メートルの距離から継続的に、そして32メートルの距離から短時間のバーストとして電力を供給しました。人が電源とセンサーの間を歩いて直接の経路を遮った場合でも、システムは稼働し続けました。この回復力は、レンズが遮られた経路以外の反射経路からエネルギーを捉えるためによるものです。研究者たちはまた、収集されたデータに基づいて訓練された機械学習モデルを使用することで、システムが人が立っているゾーンを正確に特定できることを実証し、90パーセント以上の成功率を達成しました。これは、センシング専用の追加の無線ハードウェアを使用することなく、電力受信機自体がすべての必要なデータを提供することで行われました。

この研究は、私たちがワイヤレスネットワークをどのように考えるべきかについての転換を浮き彫りにしています。デバイスの充電と環境のモニタリングのための別々のシステムを構築する代わりに、このアプローチは、電力受信器そのものがセンサーになり得ることを示唆しています。研究者たちは、彼らのシステムが電波への人体曝露に関する厳格な安全基準内で動作していることに注意を払っており、人々が近くにいてもエネルギーレベルが安全であることを保証しています。彼らは、エネルギーをレンズで集束させ、複数の角度からの電力を組み合わせることで、通常の距離の制限や安全規制を克服できることを示しました。現在のシステムは、データの収集後にデータを処理する機械学習モデルに依存していますが、この研究は、非接触センシングと位置特定に必要な生データが、単純な受動的レンズ型受信機の電力出力の中にすでに存在していることを証明しています。

この研究は、私たちの家庭や職場におけるセンサーが、交換が必要な電池によって動かされるのではなく、環境を満たしている電波そのものによってエネルギーを得る未来への道を切り開いています。充電という行為を感知という行為へと変えることで、研究者たちは、ワイヤスネットワークをよりインテリジェントで効率的なものにする方法を実証しました。呼吸を検知し、動きを追跡し、同時にデバイスに電力を供給できるという、単一の受動的なレンズ型受信機を用いた能力は、デバイスが単に接続されているだけでなく、空気から収穫されたエネルギーで稼働しながら、周囲の状況を認識しているという、モノのインターネット（IoT）の新時代を示唆しています。