10 年不用換電池！美國防部打算用 “零功耗” 傳感器挽救軍人生命

在 11 月初剛剛結(jié)束的 IEEE 年度傳感器技術(shù)大會(huì) ( IEEE Sensor 2016 ) 上，美國國防部高等研究計(jì)畫署 ( DARPA ) 向公眾展示了他們能夠?qū)崿F(xiàn)待機(jī)“零功耗”的最新傳感器。

據(jù) DARPA 的項(xiàng)目經(jīng)理 Troy Olsson 介紹，這種“零功耗”傳感器待機(jī)時(shí)并絕對(duì)的“零功耗”，而是待機(jī)時(shí)的能量耗損非常小可以忽略。之所以能做到這一點(diǎn)，是由于該傳感器使用了先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）工藝，利用超大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)將微處理器、微傳感器、控制處理電路以及供電裝置等模組集中制造在一個(gè)單片硅基板上，形成了一個(gè)小巧、緊湊、超低功耗的整體。

此外，為了減少電能損耗，科學(xué)家們還在傳感器的供電方式上做了更深度的優(yōu)化。Troy Olsson 稱這種“零功耗”傳感器能夠利用被探測信號(hào)本身的能量來為傳感器供電，例如電磁波、物理震動(dòng)、超聲波信號(hào)等，DARPA 可以將這些被測信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化成自身工作的電能，并通過盡量簡單和低功耗的方式將探測結(jié)果反饋到接收端。例如當(dāng)探測到敵方的通訊電磁波時(shí)，收發(fā)器可能只需要發(fā)送一串低功耗的“蜂鳴”信號(hào)以示告警，而無需消耗大量電能發(fā)送最原始的探測數(shù)據(jù)。

Troy Olsson 介紹，視應(yīng)用場景而定，“零功耗”傳感器也會(huì)搭載一定容量的電池。除了作為系統(tǒng)最主要的能量來源之外，這些電池還能存儲(chǔ)太陽能板、物理震動(dòng)能量收集器等裝置在傳感器待機(jī)時(shí)收集到的微小能量，為更長久的待機(jī)提供支持。

圖示為大規(guī)模部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)，只在發(fā)送告警信息時(shí)被喚醒

Troy Olsson 表示：“我們希望降低傳感器的功耗，使之能長期部署于戰(zhàn)場而不需更換電池。目前的做法是，在喚醒功耗更大的信號(hào)處理器和收發(fā)器之前，利用信號(hào)本身來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。這一做法目前看來是有效的，經(jīng)科學(xué)家們的測算，憑借這一技術(shù)制造的‘零功耗’傳感器配合恰當(dāng)?shù)碾姵丶夹g(shù)，將能夠?qū)崿F(xiàn)在戰(zhàn)場連續(xù)工作至少 10 年而不需要更換電池。”

目前有大量美軍在戰(zhàn)場上喪生，其中一個(gè)重要原因就是軍方無法依據(jù)理想的方式來部署傳感器網(wǎng)絡(luò)。Troy Olsson 舉例稱，在美軍參戰(zhàn)的海外地區(qū)，沿路如果有供電線路，美國國防部就能利用這些供電線路部署龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測是否有恐怖分子挖掘道路安裝簡易爆炸裝置等危險(xiǎn)行為。而事實(shí)上，大多情況危險(xiǎn)的戰(zhàn)區(qū)都沒有穩(wěn)定可靠的供電線路，因此當(dāng)前實(shí)際部署的幾乎所有傳感器都要依靠電池供電，而這有可能讓更多美軍士兵的生命安全受到威脅，因?yàn)樵谛枰鎿Q傳感器電池時(shí)，可能讓他們暴露于受伏擊的危險(xiǎn)之中。Troy Olsson 說：“在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，我們不能只為了給雞蛋大小的傳感器換一小塊電池而讓士兵們遭到危險(xiǎn)。”

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