@ 2017.08.19 , 11:00

如何使电池(几乎)恒久远

一块电池快用完的时候,一般就需要进行手动充电,但新的方法正在被提出来帮助这一能量源坚持永久。

使用传感器的活动需要自持电池。这类活动包括长期跟踪果蝠等野生生物、澳大利亚和亚马逊雨林多年生物多样性评估以及大堡礁健康状况。

如何使电池(几乎)恒久远
credit: 煎蛋小编&画师樂米張

这就是能量收集设备派得上用场之处。

能量收集使得可以从环境中收集能量,例如通过太阳或者振动。但正如用于电网的风能和太阳能,为移动技术服务的能量收集也只能提供间歇性的和不可预测的能量供应。

这就引发了如何持续为这些设备供能的问题。

为了处理这个难题,我们设计了一个软件框架,能根据预测收集到的能量自适应调整设备的感知和计算任务。这就确保了传感器能收集和分派必要的数据而不会耗尽能量。

以能量为中心的运作

我们软件的目标是帮助设备在以能量为中心的方式下运作,这样电池就能无限维持,或者直到充电循环耗尽。

一个例子是我们的Camazotz追踪设备,我们将其用于搜寻果蝠。用颈圈将这个设备附着在动物身上,收集GPS数据来理解他们的运动。里面也有个微型电池和太阳板来每天充电。

我们的软件能预测动物的可能运动和能量可用性,并据此决定片上传感器的合适使用日程。这保证了维持GPS采样所需的能量不会超过我们预计通过太阳板采集到的可用能量。

这个软件框架能用于消费设备,比如智能手机和可穿戴设备。但由于这一方法没有任何硬性电池寿命,电池能维持多久仍依赖于电池充电的最大次数。

其他研究者正在探索能量正性的感知。可以从人类运动中收集能量,反过来为可穿戴式设备供电。但除了提供一定量的能量,人类活动的信息,比如穿戴者是否在行走或者奔跑,也可以从收集到的能量信号中重建出来。

保护环境

当然,在野外无限期运行的电池供能设备也是有风险的。

随着时间推移,电池可能会向环境泄露有破坏性的化学物,比如镍、镉或者氢氟酸,或者甚至在高热下着火。

例如,当用电池供电的传感器监控大堡礁健康时,任何电池供电的设备都必须完全密封,与水隔绝。

研发生物可降解的电池是一个有趣的研究方向,可以降低大型传感系统对环境的影响。某些研究者正进行蚕丝、皮肤黑色素以及盐水溶液制成的可分解电池的实验。

动物福利也必须加以考虑:长期野外生物跟踪的设备必须要么轻和小到动物能正常运动,要么具有到达设定时间就脱落的机制。

恒久远电池的伦理

从哲学的角度,制造无限期供能的可以感知、思考和动作的设备使我们更接近创造人造生命形式。

例如,将这个与通过3D打印繁殖的技术相结合,并学习他们自身的程序代码,你就得到了创造自持机器所必需的大部分组件了(每一步都不容易,都还远着呢)。

自持电池供能设备也可以在它们预期任务之外从环境中继续收集数据。这可能导致收集到计划外的数据,这些数据可能就有隐私和政治问题。

无电池有时候更好

受到电池供能设备风险的激发,某些制造商设计了无电池传感设备,一举消除电池充电的需要和环境风险。

这打开了新的应用大门,比如将传感器放入人体和动物体中进行生理学感知(站内相关文:利用人体供能的可植入式医学设备)。

这些设备并不是不断存储能量,而是利用近场无线电波或者其他邻近能量源收集足够的能量来按需实现有限的感知或者计算操作。在概念上类似于被动无线射频识别(RFID),但比简单地鉴定标签可能提供了更多信息。

缺陷是只能在特定情形下运作。具体而言,这种设备要求能量源必须在非常近的地方。

能量永续性对于很多应用都至关重要,从动物检测和跟踪到船运和后勤。一些公司已经开始引入一些增值服务,比如基于传感器的后勤,传递高价值货物实时消息。传感器的可持续运行将推动这一趋势。

本文译自 conversation,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Raja Jurdak&Brano Kusy(澳大利亚联邦科学与工业研究组织,CSIRO)


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