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

Stel je een wereld voor waarin de lucht om je heen niet alleen gevuld is met onzichtbare radiogolven die muziek of berichten dragen, maar ook met een zachte, onzichtbare stroom van energie die in staat is om een slapend apparaat wakker te maken. Dit is de belofte van draadloze energieoverdracht, een concept dat van sciencefiction naar de realiteit is verschoven en sensoren en kleine elektronica in staat stelt om zonder batterijen te functioneren. Jarenlang hebben wetenschappers zich gericht op twee afzonderlijke doelen: het verzenden van energie naar apparaten en het gebruiken van radiogolven om de wereld om hen heen te "zien", zoals het detecteren van de beweging of ademhaling van een persoon. Meestal vereisen deze taken verschillende apparatuur. Het verzenden van energie vereist een sterke, gefocuste straal, terwijl sensing vaak vertrouwt op complexe, actieve ontvangers die luisteren naar zwakke echo's. De uitdaging was om deze twee functies te combineren in één enkel, eenvoudig systeem dat veilig is voor mensen, werkt over lange afstanden en geen toegewijde batterij of een ingewikkelde computerchip nodig heeft om de omgeving waar het zich bevindt waar te nemen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Glasgow en de Loughborough University heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een systeem te creëren dat beide functies tegelijkertijd uitvoert. Ze ontwikkelden een methode waarbij één enkel apparaat energie ontvangt van radiogolven en tegelijkertijd die minuscule schommelingen in die energie gebruikt om zijn omgeving waar te nemen. De sleutel tot hun succes is een speciale lens, vergelijkbaar met het glas in een bril maar gemaakt van plastic en 3D-geprint, die de binnenkomende radio-energie focust op een kleine array van antennes. Deze opstelling stelt het apparaat in staat om genoeg energie te oogsten om een sensor aan te drijven, zelfs wanneer het ver weg is, terwijl de handeling van het ontvangen van die energie juist informatie onthult over de kamer waarin het zich bevindt.

De onderzoekers bouwden een systeem dat werkt op een specifieke frequentie van radiogolven, gebruikmakend van een 3D-geprinte lens om energie uit veel verschillende richtingen tegelijkertijd te verzamelen. In plaats van een perfecte, rechte zichtlijn tussen de energiebron en de ontvanger nodig te hebben, vangt de lens radiogolven op die weerkaatsen tegen muren en meubels, en combineert deze om een sterkere, betrouwbaardere stroom van elektriciteit te creëren. Dit is cruciaal omdat radiogolven in een echte kamer zelden in een rechte lijn reizen; ze verstrooien en reflecteren. Door gebruik te maken van meerdere antennes achter de lens, kan het systeem de kleine beetjes energie die uit al deze verschillende reflecties komen bij elkaar optellen. Het resultaat is een ontvanger die veel efficiënter is dan eerdere ontwerpen, in staat om voldoende spanning te genereren om een kleine sensorknop aan te drijven op een afstand van tot wel 32 meter, oftewel ongeveer 105 voet, in een typische binnenruimte.

Wat dit werk werkelijk vernieuwend maakt, is hoe het apparaat waarneemt zonder een aparte zendsensor of een krachtige zender nodig te hebben. Wanneer een persoon door de kamer beweegt, blokkeert of reflecteert deze de radiogolven die de lens raken. Dit zorgt ervoor dat de hoeveelheid energie die de ontvanger bereikt, op een specifieke manier op en neer wiebelt. De onderzoekers ontdekten dat deze minuscule schommelingen in de spanning van de energieontvanger genoeg informatie bevatten om de aanwezigheid van een persoon te detecteren en zelfs hun locatie te volgen. In één experiment was het systeem gevoelig genoeg om het ritmische rijzen en dalen van de borstkas van een persoon te detecteren terwijl deze ademde, simpelweg door de spanningsveranderingen in de stroomlijn te analyseren. Dit betekent dat het apparaat niet alleen oplaadt; het fungeert ook als een stille, passieve waarnemer van de ruimte om zich heen.

Om te bewijzen dat dit concept in de echte wereld werkt, testte het team hun systeem in een lange gang en een open atrium. Ze voedden een kleine Bluetooth-sensor, het soort laagvermogen-chip dat wordt gebruikt in fitness trackers en smart home-apparaten, vanaf een afstand van 22 meter continu, en tot 32 meter in korte uitbarstingen. Zelfs wanneer een persoon tussen de energiebron en de sensor liep en de directe route blokkeerde, bleef het systeem operationeel. Deze veerkracht is te danken aan de lens die energie opvangt van gereflecteerde paden die de persoon niet blokkeerde. De onderzoekers toonden ook aan dat door een machine learning-model te gebruiken dat getraind is op data verzameld van de sensor, het systeem nauwkeurig kon identificeren in welke zone een persoon stond, met een succespercentage van meer dan 90 procent. Dit gebeurde zonder extra radiohardware die specif eigenlijk bedoeld was voor sensing; de energieontvanger zelf leverde alle noodzakelijke gegevens.

De studie benadrukt een verschuiving in hoe we over draadloze netwerken kunnen denken. In plaats van aparte systemen te bouwen voor het opladen van apparaten en het monitoren van omgevingen, suggereert deze aanpak dat de energieontvanger zelf de sensor kan zijn. De onderzoekers waren er zorgvuldig op dat hun systeem werkt binnen strikte veiligheidslimieten voor menselijke blootstelling aan radiogolven, waardoor wordt gegarandeerd dat de energieniveaus veilig blijven, zelfs wanneer mensen in de buurt zijn. Ze toonden aan dat ze, door de energie met een lens te focussen en de kracht vanuit meerdere hoeken te combineren, de gebruikelijke beperkingen van afstand en veiligheidsvoorschriften konden overwinnen. Hoewel het systeem momenteel vertrouwt op een machine learning-model dat data verwerkt nadat deze is verzameld, bewijst het werk dat de ruwe data die nodig is voor contactloze sensing en lokalisatie al aanwezig is in de energieoutput van een eenvoudige, passieve lens-gebaseerde ontvanger.

Dit onderzoek opent een pad naar een toekomst waarin de sensoren in onze huizen en werkplekken niet alleen worden gevoed door batterijen die vervangen moeten worden, maar worden geënergiseerd door de zeer radiogolven die onze omgeving vullen. Door het proces van opladen te veranderen in een proces van waarnemen, hebben de onderzoekers aangetoond een manier te creëren om draadloze netwerken intelligenter en efficiënter te maken. Het vermogen om ademhaling te detecteren, beweging te volgen en apparaten tegelijkertijd van stroom te voorzien met behulp van een enkele, passieve lens-gebaseerde ontvanger, suggereert een nieuw tijdperk voor het Internet of Things, waarin apparaten niet alleen verbonden zijn, maar ook bewust zijn van hun omgeving, terwijl ze draaien op energie die uit de lucht wordt gewonnen.