Hoewel mobiele apparaten zoals tablets en smartphones ons laten communiceren, draadloos werken en toegang krijgen tot informatie, hun batterijen moeten nog steeds worden opgeladen door ze in een stopcontact te steken. Maar ingenieurs van de Universiteit van Washington hebben voor het eerst een methode ontwikkeld om een ​​smartphone veilig draadloos op te laden met een laser.

Zoals het team meldt in een paper die in december online is gepubliceerd in de Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive , mobiel, Draagbare en alomtegenwoordige technologieën, een pijl, onzichtbare straal van een laserzender kan een smartphone opladen die aan de andere kant van een kamer zit - en kan een smartphone mogelijk net zo snel opladen als een standaard USB-kabel. Om dit te bereiken, het team monteerde een dunne stroomcel aan de achterkant van een smartphone, die de smartphone oplaadt met stroom van de laser. In aanvulling, het team heeft op maat ontworpen veiligheidsvoorzieningen - waaronder een metalen, vlakke plaat koellichaam op de smartphone om overtollige warmte van de laser af te voeren, evenals een op reflectoren gebaseerd mechanisme om de laser uit te schakelen als een persoon zich in het pad van de oplaadstraal probeert te bewegen.

"Veiligheid was onze focus bij het ontwerpen van dit systeem, " zei co-auteur Shyam Gollakota, een universitair hoofddocent aan de Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering van de UW. "We hebben ontworpen, dit op laser gebaseerde oplaadsysteem met een snel reagerend veiligheidsmechanisme gebouwd en getest, die ervoor zorgt dat de laserzender de laadstraal beëindigt voordat een persoon in het pad van de laser komt."

Gollakota en co-auteur Arka Majumdar, een UW universitair docent natuurkunde en elektrotechniek, leidde het team dat dit draadloze oplaadsysteem en zijn veiligheidsvoorzieningen heeft ontworpen.

"Naast het veiligheidsmechanisme dat de laadstraal snel beëindigt, ons platform bevat een koellichaam om overtollige warmte af te voeren die wordt gegenereerd door de laadstraal, "zei Majumdar. "Deze functies geven ons draadloze oplaadsysteem de robuuste veiligheidsnormen die nodig zijn om het toe te passen op een verscheidenheid aan commerciële en thuisomgevingen."

De oplaadstraal wordt gegenereerd door een laserzender die het team heeft geconfigureerd om een ​​gefocusseerde straal in het nabij-infraroodspectrum te produceren. Het veiligheidssysteem dat de laadstraal uitschakelt, draait op laag vermogen, onschadelijke laser "guard beams, " die worden uitgezonden door een andere laserbron die zich op dezelfde plaats bevindt als de oplaadlaserstraal en die de oplaadstraal fysiek "omringt". Aangepaste 3D-geprinte "retroreflectoren" die rond de voedingscel op de smartphone zijn geplaatst, reflecteren de bewakingsstralen terug naar fotodiodes op de laserzender. De bewakingsstralen leveren zelf geen lading aan de telefoon, maar door hun reflectie van de smartphone terug naar de zender kunnen ze dienen als een "sensor" voor wanneer een persoon zich in het pad van de bewakingsstraal zal bewegen. De onderzoekers ontwierpen de laserzender om de oplaadstraal te beëindigen wanneer een object - zoals een deel van het lichaam van een persoon - in contact komt met een van de bewakingsstralen. De blokkering van de afschermingsstralen kan snel genoeg worden gedetecteerd om de snelste bewegingen van het menselijk lichaam te detecteren, gebaseerd op decennia van fysiologische studies.

"De bewakingsstralen kunnen sneller werken dan onze snelste bewegingen, omdat die stralen met de snelheid van het licht worden teruggekaatst naar de zender, "zei Gollakota. "Als gevolg daarvan, wanneer de afschermingsstraal wordt onderbroken door de beweging van een persoon, de zender detecteert dit binnen een fractie van een seconde en zet een sluiter in om de laadstraal te blokkeren voordat de persoon ermee in contact kan komen."

De volgende generatie optische apparaten op nanoschaal zal naar verwachting werken met Gigahertz-frequentie, die de reactietijd van de sluiter tot nanoseconden zou kunnen verminderen, voegde Majumdar toe.

De straal laadt de smartphone op via een voedingscel die aan de achterkant van de telefoon is gemonteerd. Een smalle straal kan een constant vermogen van 2 W leveren aan een gebied van 15 vierkante inch op een afstand van maximaal 4,3 meter, of ongeveer 14 voet. Maar de zender kan worden aangepast om de straal van de laadstraal uit te breiden tot een gebied van maximaal 100 vierkante centimeter vanaf een afstand van 12 meter, of bijna 40 voet. Deze uitbreiding betekent dat de zender op een breder laadoppervlak kan worden gericht, zoals een aanrecht of tafelblad, en laad een smartphone op die overal op dat oppervlak is geplaatst.

De onderzoekers programmeerden de smartphone om zijn locatie aan te geven door hoogfrequente akoestische "chirps" uit te zenden. Deze zijn voor onze oren onhoorbaar, maar gevoelig genoeg om kleine microfoons op de laserzender op te pikken.

"Dit akoestische lokalisatiesysteem zorgt ervoor dat de zender kan detecteren wanneer een gebruiker de smartphone op het oplaadoppervlak heeft geplaatst, die een gewone locatie kan zijn, zoals een tafel aan de andere kant van de kamer, " zei mede-hoofdauteur Vikram Iyer, een UW-promovendus in de elektrotechniek.

Wanneer de zender de smartphone op het gewenste oplaadoppervlak detecteert, het schakelt de laser in om de batterij op te laden.

"De straal laadt net zo snel op als het aansluiten van uw smartphone op een USB-poort, " zei mede-hoofdauteur Elyas Bayati, een UW-promovendus in de elektrotechniek. "Maar in plaats van je telefoon in te pluggen, je zet het gewoon op een tafel."

Om ervoor te zorgen dat de oplaadstraal de smartphone niet oververhit, het team plaatste ook dunne aluminium strips op de achterkant van de smartphone rond de stroomcel. Deze strips fungeren als een koellichaam, overtollige warmte van de oplaadstraal afvoeren en de laser de smartphone urenlang laten opladen. Ze hebben zelfs een kleine hoeveelheid van deze warmte geoogst om de smartphone op te laden - door een bijna platte thermo-elektrische generator boven de heatsink-strips te monteren.

De onderzoekers zijn van mening dat hun robuuste veiligheids- en warmteafvoerfuncties draadloze, lasergebaseerd opladen van andere apparaten, zoals camera's, tablets en zelfs desktopcomputers. Als, de taak voor het slapengaan van het aansluiten van uw smartphone, tablet of laptop kan ooit worden vervangen door een eenvoudiger ritueel:het op een tafel plaatsen.