北京
雷神托尔（Thor）是北欧神话里的雷电之神，靠一把锤子凭空召唤闪电。科学家最近做的事有点像他：不用锤子，也能从空气里"取"到电——准确地说，是从附近电线产生的环境电磁辐射里收集能量。
来自阿肯色大学和密歇根大学的研究人员开发出一种基于石墨烯的能量采集装置，并据此搭起一套无需电池的温度传感系统。整套系统由能量采集器、电能转换电路、储能电容器和超低功耗温度传感器组成，不接有线电源，靠电磁感应拿到运行所需的电力。
电线周围的辐射怎么变成电？电流流过导线时会在周围产生磁场。交流电的电流不断变化，磁场的方向和强度也跟着持续改变。这套系统所在的美国采用 60Hz 交流电，也就是电流每秒完成 60 次周期变化，变化的磁场里就藏着能量。
研究人员的做法是用石墨烯制造一个电感器，并加入钢制磁芯增强捕获磁场的能力。电感器靠近电源线时，变化的磁场穿过它，两端就感应出微弱的交流电压——遵循的正是电磁感应原理，和传统变压器、发电机工作的基本原理一致。
但这点微弱信号没法直接驱动电子元件。一来电感器产出的是交流电，温度传感器要的是直流电；二来电压太低，稳不住任何设备。于是还需要装置的另一部分：电能转换电路和储能系统。
转换环节，团队设计了一套基于考克饶夫-沃尔顿（Cockcroft-Walton）倍压电路的系统，把交流信号整流成直流电，并逐步抬高电压，达到传感器电子元件所需的水平。储能环节没有用传统可充电电池，而是用三个电容器逐步积累电荷。
即便这样处理完，电能仍然少得驱动不了普通电子设备。团队干脆量体裁衣，专门设计了一套超低功耗温度传感系统，把功耗压到纳瓦级别，也就是只消耗十亿分之一瓦的电力。作为对比，这套系统的功耗理论上约为单只 AirPods 耳机的 3000 万分之一。
石墨烯电感器采集能量的速度相对缓慢，但补充电容器电能的速度仍快于传感器消耗电能的速度。只要周围存在足够的电磁能量，系统就能持续运行。电容器还能存下多余电能：附近电源线暂时断电，传感器也能靠此前储存的电荷继续工作，至少运行 24 小时，甚至可能达到一周。
石墨烯能量采集器的发明者、教授保罗·蒂巴多（Paul Thibado）表示："电感器向这些电容器补充电荷的速度比较慢，但仍然快于传感器消耗电容器电荷的速度。因此，即使电源断电，系统依然可以从电容器中获取电荷。按照我们的设计方式，它轻松就能运行 24 小时，甚至可能持续一周。"
一个颇具潜力的应用场景是拥有大量设备的大型工业设施。工厂可能要部署数千个温度传感器，持续监测机械设备、管道以及周围环境。传统方案要么铺设电源线，增加部署和维护的复杂程度，要么依赖电池供电，而电池最终需要更换。采用这套装置后，大量传感器有望摆脱有线供电，也无需定期更换或充电电池。
限制也需要说清楚：
- 能量采集装置需要靠近具有足够强度的变化磁场，附近必须有合适的通电线路，它并不能在任意环境中凭空发电。
- 系统尚未被证明能在完全放电状态下自行启动。实验中电容器最初已完成充电，处理器也已预先编程。
- 输出功率只有纳瓦级别，几乎只能驱动专门设计的温度传感器，暂时不必期待手机很快实现"空气充电"。
目前团队把温度传感器作为概念验证，但认为这套系统未来可用于多种低功耗传感设备，应用领域包括产品追踪、大气环境监测、物流车队管理、土壤监测、可穿戴健身设备以及医疗监测等。
研究人员还在探索从其他来源获取电能，包括声能、非线性辐射、太阳能、热能、动能以及环境辐射等。团队的最终目标是开发能从环境中多种能源获取电力、无需外部供电的自主传感系统。相关研究论文已发表于《真空科学与技术杂志》（Journal of Vacuum Science and Technology）。
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
