مهندسون يبتكرون أول هاتف يعمل بدون بطارية !

صمم باحثون و مهندسون بجامعة واشنطون أول هاتف محمول بدون بطارية يمكنه إرسال واستقبال المكالمات باستخدام عدد قليل من الميكرووات من الطاقة التي يقوم بحصدها من إشارات الراديو المحيطة أو الضوء . خطوة كبيرة إلى الأمام تأتي لتنهي على مسيرة البطاريات الفارغة و اسلاك شحن الهاتف و الهواتف التي تتوقف عن العمل في أوقات حرجة .

قام الفريق بإجراء مكالمات سكايب باستخدام هاتفه الخالي من البطارية، مما يدل على أن النموذج الأولي المصنوع من المكونات التجارية الجاهزة يمكن أن يستقبل و يرسل المحادثات  الكلام والتواصل عبر محطات قاعدة خليوية.

تم شرح التكنولوجيا الجديدة في ورقة نشرت في 1 يوليو وقال المؤلف المشارك شيام غولاكوتا، أستاذ مشارك في كلية بول جي. ألين لعلوم الكمبيوتر والهندسة في جامعة أوكلاند:

‘لقد بنينا ما نعتقد أنه أول هاتف محمول يعمل يستهلك طاقة قرابة الصفر و لتحقيق استهلاك طاقة منخفض عن طريق حصاد الطاقة من البيئة، كان علينا أن نفكر جذريا في كيفية إعادة تصميم هذه الأجهزة’.

وقام فريق من علماء الكمبيوتر والمهندسين الكهربائية بإستبعاد التطبيقات الشرهه للطاقة , في معظم الإرسالات الخلوية الحديثة – يتم تحويل الإشارات التناظرية التي تنقل الصوت إلى بيانات الرقمية و هي التي يمكن أن يفهمها الهاتف. هذه العملية تستهلك الكثير من الطاقة و بالتالي كان من المستحيل استخدام هذه الطريقة لتصميم الهاتف الذي يعتمد على مصادر الطاقة المحيطة فقط.

وبدلا من ذلك، يستفيد الهاتف المحمول الخالي من البطارية من الاهتزازات الصغيرة في ميكروفون الهاتف أو مكبر الصوت الذي يحدث عندما يتحدث شخص ما إلى هاتف أو يستمع إلى مكالمة. الهوائي المتصل بهذه المكونات يقوم بتحويل تلك الحركة الضئيلة إلى تغييرات في الإشارة الراديوية التناظرية القياسية المنبعثة من محطة قاعدة خلوية . هذه العملية  تقوم بشكل أساسي بترميز  الكلام في صورة الإشارات الراديوية المنعكسة بطريقة لا تكاد تستخدم تقريبا أي طاقة تذكر.

لنقل الكلام، يستخدم الهاتف الاهتزازات من ميكروفون الجهاز لترميز أنماط الكلام في الإشارات المنعكسة. لتلقي الكلام، فإنه يعاد تحويل إشارات الراديو المشفرة إلى اهتزازات صوتية و التي يتم التقاطها من قبل مكبر صوت الهاتف على الطرف الآخر. في الجهاز النموذجي، يضغط المستخدم على زر للتبديل بين وضعي ‘الإرسال’ و ‘الاستماع’.

باستخدام مكونات جاهزة على لوحة دوائر مطبوعة ، أثبت الفريق أن النموذج يمكن أن يؤدي وظائف الهاتف الأساسية – نقل الكلام والبيانات وتلقي مدخلات المستخدم عن طريق الأزرار. باستخدام سكايب، كان الباحثون قادرين على استقبال المكالمات الواردة، والاتصال الهاتفي الخارج ووضع المتصلين في الانتظار على الهاتف الخالي من البطاريات.

‘إن الهاتف المحمول هو الجهاز الذي نعتمد عليه في معظم اليوم، لذلك إذا كان هناك جهاز واحد كنت تريد أن يكون قادراً على العمل بدون بطاريات فهو الهاتف المحمول’

يقول رئيس هيئة التدريس جوشوا سميث، أستاذ في قسم الهندسة الكهربائية:

 ‘إن إثبات المفهوم الذي طورناه مثير اليوم، ونعتقد أنه يمكن أن يؤثر على الأجهزة اليومية في المستقبل’.

صمم الفريق محطة قاعدة مخصصة لنقل واستقبال الإشارات الراديوية. ولكن هذه التكنولوجيا يمكن دمجها في البنية التحتية للشبكة الخلوية القياسية أو أجهزة توجيه الواي فاي “الراوترات” التي تستخدم الآن لإجراء المكالمات بشكل اعتيادي.

يقول المؤلف المشارك فامسي تالا، وهو طالب سابق في الهندسة الكهربائية في جامعة وكلية أبحاث ألين ششول:

‘يمكنك أن تتخيل في المستقبل أن جميع الأبراج الخليوية أو أجهزة توجيه واي-في يمكن أن تأتي بتكنولوجيا محطة القاعدة مضمنة فيها. ‘وإذا كان كل بيت لديه جهاز توجيه واي فاي “راوتر” فربما يمكن الحصول على تغطية للهواتف الخالية من البطارية في كل مكان.’

لا يزال الهاتف الخالي من البطارية يتطلب كمية صغيرة من الطاقة لأداء بعض العمليات. النموذج الأولي يتطلب طاقة ضعيفة للغاية تعادل 3.5 ميكرواط.

يتم حصاد هذه الكمية الصغيرة من الطاقة من مصدرين مختلفين. يمكن أن يعمل نموذج الهاتف الخالي من البطارية على الطاقة التي تم جمعها من إشارات الراديو المحيطة التي تنتقل عن طريق محطة قاعدة تصل إلى 31 قدما بعداً.

وباستخدام الطاقة التي تم حصادها من الضوء المحيط بإستخدام خلية شمسية صغيرة – تقريبا بحجم حبة الأرز – تمكن الجهاز من التواصل مع محطة قاعدة كانت على بعد 50 قدما.

العديد من التقنيات الأخرى الخالية من البطارية التي تعتمد على مصادر الطاقة المحيطة، مثل أجهزة استشعار درجة الحرارة أو التسارع، و للحفاظ على الطاقة مع القيام بعمليات متقطعة فإن هذه المجسات تأخذ القراءة ثم تذهب إلى وضع ‘النوم’ لمدة دقيقة أو اثنتين لحصاد ما يكفي من الطاقة لأداء المهمة التالية. لكن على النقيض من ذلك، تتطلب مكالمة هاتفية أن يعمل الجهاز بشكل مستمر طالما استمرت المحادثة.

يقول بريس كيلوغ، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الكهربائية في جامعة أوهايو:

 ‘لا يمكنك أن أقول مرحبا وانتظر دقيقة تسمح للهاتف بالذهاب إلى النوم لحصاد ما يكفي من القوة للحفاظ على الإرسال ‘. ‘كان هذا هو التحدي الأكبر – كمية الطاقة التي يمكن أن تجمع في الواقع من الراديو المحيط أو الضوء تتراوح من 1 أو 10 ميكرويتس.لذلك عمليات الهاتف في الوقت الحقيقي كان أمر من الصعب حقا تحقيقه دون وضع نهج جديد تماما لنقل واستقبال الكلام ‘.

بعد ذلك، يعتزم فريق البحث التركيز على تحسين نطاق تشغيل الهاتف الخالي من البطارية وتشفير المحادثات لجعلها آمنة. ويعمل الفريق أيضا على بث الفيديو عبر هاتف محمول خال من البطارية وإضافة ميزة عرض مرئي إلى الهاتف باستخدام شاشات الحبر الإلكتروني E-ink منخفضة الطاقة.

مصدر
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170705164453.htm