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無中生有的手機充電技術

Nokia在英國的劍橋大學有實驗室，從事手機的前瞻設計工作，之前我們曾報導他們提出的Morph手機設計概念，運用奈米技術，讓手機不但可改變形狀，還可以自我清潔表面。Morph只是個概念，裡面的技術離實現還相當遙遠，而現在這個從空中採集電力的概念卻是個行之已久的技術，只是進步到「即將」可供手機充電而已。

原來這不是魔術

幾年前有部電影《頂尖對決Prestige》描述兩個魔術師對決的過程，其中那位使用無線傳輸電力來點亮滿地燈泡的就是特斯拉（Tesla），特斯拉在電學發展史上的確搞過隔空傳遞能量的實驗，但特斯拉是否真的有讓這樣多的能量透過空氣傳送出去，讓電燈泡往地上一插就會發光？筆者相信是沒有。一直以來，這技術傳遞的電力其實很微弱，微弱到每天用一次的電動牙刷才適合用這技術充電，早期的PHS手機也是這樣充電，現在會轉往一般的設計當然是有優缺點的比較。不過近幾年在這上面進行研究的人不少，美國有大學已經展示可以讓遠處燈發光的系統，市面上也出現滑鼠墊對手機電池充電的設計。

目前最常使用線圈遠距離供電系統的，是我們常見的RFID系統，例如台北捷運悠遊卡，或是一些大樓門禁管理系統，都是主機（讀取器，固定在門口的那台機器）發出特定頻率電波，儲值卡不用真的接觸到讀卡機，卡片上的線圈剛好對這個頻率的電波起反應，線圈兩端就會出現電壓，等於是一個小電池推動卡片上的電子系統，進而傳遞密碼資訊。

如果我們要以這方式對遠處的手機充電也是可以，但這樣只是讓手機充電器變成無線而已。Nokia的想法是，既然空氣中充滿各種無線電波，有手機與基地台的電波信號、有WiFi的無線電信號、有廣播電台與電視台的信號，甚至超商門口的電動門在開關時都會發出電波信號，如果能將這些不同頻率，不同來源的電波通通收集起來，那手機就可以走到哪裡便充電到哪裡。

Nokia的設計

這技術最大的問題是，要多久才能收集到足夠的電力講一分鐘電話呢？雖然Nokia沒有說要在怎樣的環境下才有電波可以收集，但實驗時雛形機大概可以收集3~5mW的能量，這數字大概勉強可以點亮一個小LED，但低於筆電電源指示燈的亮度。很明顯這數字不夠用，研發團隊只好說他們的目標是先提升到20mW，足夠讓手機維持在待機狀態，當要打電話時再使用電池的電力。以最保守的估計，要能夠順暢的通話，50mW是很基本的數字，這代表Nokia還要提升系統性能十倍才行。

在Nokia雛形設計中，最關鍵的應該就是天線了，我們身邊充斥各種頻率的無線電信號，且每種天線都有適合的工作範圍，所以電視天線收不進手機信號，2.4G無線網路也不會干擾電視廣播信號。既然想要靠無線電信號來充電，工程師自然希望不管什麼無線電信號都可以收集進來，而且為了手機尺寸，只能有一支天線，這真的是很困難的工作。Nokia收集的無線電信號是介於500MHz到10GHz之間，所以天線體積不需太大，可以安置在手機的外殼上。

如果這技術成真，並且推出變成商品，那這種手機可能外殼比內部零件還寶貝，因為上面不但有精巧的無線轉電力設計，而且背面還要搭配太陽能電池，隨時隨地進行充電，這可不是一般手機外殼，耐摔防水便夠用了，不論怎樣，不必擔心充電問題的手機實在是很有吸引力。Nokia這個新聞在各大科技新聞部落格迅速傳出去後沒幾天，Nokia便發佈新聞稿說明這件事是在研發中沒錯，但他們不保證幾年後真的會推出產品，也就是說，在你換手機之前不會看到這產品的啦！

能量要怎麼採集

以這種手機來說，他是從四面八方不特定對象收集能量，而非如悠遊卡是從特定讀卡機收到電力，因此後者有個專有名詞「Energy Harvesting」或是「Power Harvesting」。Energy是能量，而Harvesting就很有趣了，他是農耕採集的意思，代表他得到的能量並非是自己攜帶出去的，而是像原始人找食物一樣，看到什麼採集什麼，最終都填進肚子變成能量。所以設計Energy Harvesting的工程師也希望他們的系統不只採集空中的無線電，最好是連太陽能或其他能量通通都可以收集進來。

如果原始人收集到水果當場就吃光光，沒有任何存糧，一旦肚子餓就得出門覓食，都不能休息。Energy Harvesting的設備也得顧慮到這點，通常會盡可能搭配大一點的電池，趁著太陽大一點時裝滿滿，以度過沒電力進帳時的時間。但是電池再大還是有用完的時候，在用完前要學動物一樣進入冬眠，直到春天降臨有電力可用為止。

諸如此類的想法一時之間也講不完，但到處收集能量以供應電子系統運作的想法，在地球日益暖化的現下的確很熱門。事實上美國國防部所支持的科技研究中，也包含Energy Harvesting，目標是要讓美國的間諜系統可以工作很久很久，甚至數十年之譜。

厲害的無線感測網路

想像一下，有天美國國防部派出一架飛機，低空飛過阿富汗無人山區的小徑，並灑下許多小小不起眼的黑盒子，每個黑盒子都有無線通訊裝置與測量能力，有些是測量車輛通過的震動、有些測量聲音、或者是人體溫度偵測等，一旦有風吹草動，就會將這些資訊傳回美國本土，像電影一樣，一堆穿著軍服的人坐在千里之外吹冷氣看螢光幕，決定要不要派出飛機炸掉目標。

這種技術叫做無線感測網路Wireless Sensor Network（WSN），據說美國灑了很多出去，在電池用盡之前都可以持續監測敵人的蹤跡，如果電池用光了呢？有錢國家的作法當然就是算了，重新灑一次，難道要派人冒險逐一撿回嗎！

WSN不一定只用在軍事上，像是不久前台中的后豐大橋在颱風來臨時被沖垮，犧牲了幾條人命，如果使用在橋樑安全監測的WSN發展成熟，便可避免慘劇發生。用在橋樑的無線感測網路不一定要用無線的，也不一定要用電池，反正失業率不低，找人把橋樑上鎖上感測器也算促進經濟成長，但用在軍事上，或是一些供電品質有問題的地方，還是希望可以做到電力自給自足，以丟在沙漠中的間諜感測器為例，白天有用不完的陽光，只要不被沙子掩埋，便可持續工作執行任務。

所以能量採集技術與無線感測網路，兩者經常被一起討論。說難聽點，前者供應電力的能力太弱，被眾人嫌，難得找個要求不多的；後者能作的事不多，剛好找個能在眾人止步之處繼續默默工作的，就這樣綁在一起了。

撇開軍事用途不談，一般人用得到這種技術結合的產品嗎？答案還是有的，例如汽車。世界各大車廠一直希望將車子布滿各種感測器，藉以加強汽車安全，或者是多個加價的理由。美國現在規定汽車輪胎內要有胎壓測量系統，以免胎壓不足發生車禍。測量胎壓是個很簡單的工作，但是輪胎一直在轉，傳遞信號只能用無線電的方式，供電怎麼辦呢？現在的方法是裝個小電池，並且盡量用低功率的電路，希望可以拉長壽命到五年，甚至十年。

採集能量的技術有很多種，最常見的就是太陽能，在國內拍賣網站上隨便一找就有上百個太陽能充電器，大都是用來對手機充電的。我們日常生活中，也只有手機才需要到處尋找能量來源，而且需求有限，不像筆電一樣有快速搾乾電池的能力。

從大自然採集電力

「風力」也是從大自然採集能量的好方法，看看現在台灣西海岸到處都是風力發電機就知道了，只是對於隨身攜帶的資訊產品不適合。想想看，不論是哪一種風力發電機，都需要扇葉來收集風力，難道手機上要裝個風力發電機，沒電時舉起手機拼命跑好驅動風扇發電嗎？所以說能夠從大自然採集能量的方法非常多，真正實用的卻很少，而有機會應用到資訊產品上的更是少之又少。

除了太陽能之外，我們舉幾個目前有可能化為商品的技術，例如用人體運動來發電。說精確點，應該是用物體形變來發電，有一種叫壓電材料，簡寫為piezo的東西，只要改變它的形狀，接在兩端的電線就會有電流出現，雖然這些電流很小，只要有適當的電路可以收集起來，一樣可以對電池充電。

Piezo發電講了很久最近才變得比較可行，除了電源技術的進步外，筆者認為最重要的是手機比從前省電，所以piezo產生的微小電力現在看起來似乎比以前大多了。一樣的電池，以前的手機只能待機一兩天，現在動輒十天以上，讓Piezo發電看起來有發電量大了十倍的錯覺。至於怎麼使用呢？可能是將壓電材料與衣服縫在一起，當你穿著衣服走路，甚至只是單純舉個手，都會改變Piezo的形狀，進而收集到微小電力。

這說起來簡單，實行上可不簡單，光是要把Piezo做成纖維混在衣服內，還要抓出正確的端點好收集電力就是個很麻煩的事情。所以日本人有個比較可行的作法，把Piezo做成很大一片，鋪成地鐵車站的地板，每個人走過去時都會踩好幾下，地板兩端就可以收集到電力了。不過這方法對資訊產品還是不太可行，如果手機沒電時你有辦法拿出跟報紙一樣大的Piezo讓大家幫你踩，為什麼不去牆邊找個電源插座算了？起碼充電器體積小好攜帶。

什麼時候才能用到這類產品阿？

一樣是穿在身上，另一種可能是用溫差來發電的熱電技術Thermoelectric。有些材料如果兩端溫度不同，會驅使內部的電子流動，接上電線就看到電流了，這種東西溫差越大收集到的能量也越多，國外有些海中的小島把熱電材料拉得很長，一邊丟到深層海水去，另一端浮在海上，因為深海溫度比較低，跟海面有差，他們就這樣收集到免費的電力，多到可以作為冷氣機的電源呢。

於是有人想把這東西用在人體上，是因為大部分的時候，人體溫度總是高於外界不少，所以熱電材料貼在人體上似乎可以保持一天24小時不停充電，比起Piezo有動才有充電，睡著就解散好太多了。不過這方法有個很明顯的壞處，天氣熱時會讓使用者感覺不舒服，都已經嫌衣服穿太多了，還要貼一大塊不透氣的東西在身上；反之，天氣冷的時候，還要把體溫散出去好製造電力，那不如手機少講幾句吧。