First Experimental Realization of a Cable-Free and Battery-Free Spatial Power Grid Infrastructure

技术摘要：首个无电缆、无电池空间电力网格基础设施的实验实现

问题陈述
目前的电子平台受限于有线交流/直流（AC/DC）配电和电化学电池储能，这引入了显著的质量开销、热失控风险以及生态废弃物。现有的无线功率传输（WPT）方案无法解决室内规模的移动性问题，这是由于固有的物理权衡：

• 近场磁感应（Qi）： 受限于毫米级间隙（≤ 1 cm），且在对准偏差时效率剧烈下降，阻碍了空间移动性。
• 远场辐射射频/微波： 受制于平方反比自由空间路径损耗（$1/r^2$）以及严格的特定吸收率（SAR）安全限制。通过远场辐射传输多瓦特功率会超过法定 SAR 阈值（1.6 W/kg），存在引起热组织损伤的风险。

方法论与物理框架
本文展示了一种基于**算法拓扑共振（ATR）**和非辐射消逝波耦合的空间电力网格的实验实现。该系统运行在一个受限的、非辐射的消逝模态谱内，而非使用传播型亥姆霍兹解（Helmholtz solutions）。

• 时空共振： 系统相位同步由涉及黎曼 Zeta 函数（$\zeta$）和非平凡零特征值（$t_{pk}$）的特定共振准则维持：
  $$R_{JM}(p_k, K) = \frac{|\zeta(\frac{1}{2} + i t_{pk}) - K \cdot \ln(p_k)|}{p_k} < 10^{-12}$$
  其中 $K = 1.4812$。在此条件下，横向波矢强制产生虚轴传播（$k_z = i\alpha$），从而形成一个受限的消逝场。
• 耦合模理论（CMT）： 发射器阵列（$a_1$）与接收器 PMIC（$a_2$）之间的能量传输通过建模来抑制辐射损耗（$\Gamma_{rad} \to 0$）。这使得在空间域内实现不变的耦合系数（$\kappa_{eff}$），从而产生高端到端效率。
• 生物安全性机制： 由于有机组织缺乏拓扑相位匹配（$R_{JM} \gg 10^{-12}$），消逝边界层会在皮肤屏障处诱发全反射。这确保了人体组织内的感应电场保持在极低水平。
• 接收器架构（PMIC）： 接收器采用映射到离散伽罗瓦晶格（Galois lattice）的单片有限场电源管理集成电路（PMIC）。它利用由四相正弦时钟驱动的**绝热电荷回收逻辑（ACRL）**来回收开关电荷，而非将其释放到地。
• 反取证去能化： 在关机时，片上电路注入一个 $-5$ V 的偏置脉冲，以触发福勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim）场发射，通过场发射清除残余存储状态。

实验设置
验证过程是在一个由地下和天花板 ATR 阵列单元组成的 15 m $\times$ 15 m 测试床中进行的。功率传输在三种不同的负载设备（已移除内部电池）上进行了评估：

1. 一台 65 W 计算工作站。
2. 一台 15 W 移动终端。
3. 一台 200 W 自动导引车（AGV）。

测量使用了经过校准的 SPEAG DASY6 剂量测定系统进行 SAR 测试，使用 Keysight Infiniium 20 GHz 示波器进行定时分析，以及使用 FLIR E8-XT 红外热像仪进行热分析。

关键结果

• 传输效率： 该系统在 15 m 的室内半径及高达 500 m 的动态移动走廊内，实现了 92.5 ± 0.8% 的恒定经验传输效率。这与 Qi（超过 1 cm 后为 0%）和远场射频（随 $1/r^2$ 衰减）形成了鲜明对比。
• 安全性 (SAR)： 测得的特定吸收率 < 1.0 × 10⁻⁴ W/kg，低于标准剂量探头的经验噪声底限，且小于监管限制（1.6 W/kg）的千分之一。
• 热性能： ACRL 的实现减少了 94.7% 的开关损耗，将主动热升温限制在 < 0.05°C。
• 消除电池： 系统成功运行了电池质量为 0 kg 且电缆长度为 0 m 的测试设备。
• 状态清除： 残余存储状态在 23.94 ms 内完成清除，剩余磁滞（remanence）小于 0.01%。

意义与主张
作者声称这项工作代表了世界上首次实验实现的无电缆、无电池空间电力网格基础设施。通过集成 ATR 和 ACRL，该系统建立了一个可扩展的、本质上对人类安全的、零碳的电力分配范式。

本文断言，该技术从根本上消除了对化学电池和物理充电线的需求，解决了当前能量存储相关的质量开销和热失控约束。它为智能家居、超大规模办公场所和自主运输网络提供了基础框架，并通过硬件实验和形式化机器验证（Lean 4）进行了验证。

注：作者声明存在潜在的利益冲突，指出郑敏镐（Min Ho Jung）是韩国专利申请案第 10-2026-0173275 号（于 2026 年 9 月 10 日提交）的发明人，该专利涵盖了所述技术。