Wi-Fi | Elektřina | Bluetooth

Proč používat baterie, když může elektronika fungovat skoro jako perpetuum mobile

  • Může elektronika fungovat bez přívodního kabelu a baterie?
  • Energii by mohla získávat z elektromagnetického smogu
  • A mohla by jej využívat i pro parazitní komunikaci

Zatímco se někteří děsí údajně devastujícího záření 5G, a tak přinejmenším na jaře vyrazili ničit nebohé BTS stanice mobilních operátorů ve Velké Británii i v zámoří, inženýři se už roky zabývají otázkou, zdali je už elektromagnetického smogu okolo nás dost na to, abychom jej mohli smysluplně využít.

Jak využít? Třeba k parazitní komunikaci, anebo jako zdroj elektrické energie. S tím druhým případem máme jistě všichni nějakou zkušenost, tuto oblast měl totiž už před lety zpopularizovat nástup armády pasivních NFC tagů rozesetých všude možné po světě.

Nakonec to sice dopadlo trošku jinak a NFC se dnes těší ohromné popularitě hlavně díky bezkontaktním platbám, ale pojďme si přesto oprášit původní ideu.

Titěrný mikropočítač bez baterie

Když se k takovému NFC tagu přiblížíte mobilem nejvýše na pár milimetrů, NFC jednotka v jeho nitru vyšle na frekvenci 13,56 MHz pulz energie, který zachytí drobná anténka tagu. Pomocí magnetické indukce a cívky si následně vyrobí dostatek proudu a napětí k tomu, aby probudila jednoduchý čip, který konečně vyšle do nejbližšího okolí pár bajtů s odpovědí. To vše, aniž by musel mít NFC tag nějaký vlastní zdroj energie.

Klepněte pro větší obrázek
Prototypovací NFC tag s přepisovatelnou pamětí a hlavně rozměrnou anténou a cívkou

Vše zabere nejvýše pár sekund, načež se na mobilu zobrazí třeba webová stránka s popisem obrazu, na který právě koukáte kdesi v galerii, skrze NFC se totiž přenesla URL adresa.

Klepněte pro větší obrázek
Přečtení textových dat z NFC tagu, jak to dnes nativně podporuje třeba telefon s Androidem. V tomto případě jsme přečetli zprávu z kutilského teploměru, který nemá teploměr, ale údaje předá právě skrze čip NFC vysílače.

Co když 13,56 MHz nahradíme třeba 2,4 GHz

Vědci přirozeně už celé roky sní o tom, že jednou tímto způsobem budeme moci krmit mnohem sofistikovanější elektroniku, kterým díky pokroku ve výrobních technologiích a úsporným čipům bude stačit jen zlomek současné energie.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Battery Free Phone: Experimentální telefon, který získává šťávu z okolního rádiového šumu, potřebuje totiž jen pár mikrowattů elektrické energie

Představte si například, že byste 13,56MHz vlny nahradili dnes už v podstatě všudypřítomným ambientním zářením na kmitočtech 2,4 GHz a 5 GHz a anténkou, která by i na těchto frekvencích dokázala indukovat dostatek elektrické energie k chodu tagu, který by už nepoužíval protokol NFC, ale třeba právě Bluetooth Low Energy a Wi-Fi.

Klepněte pro větší obrázek
Bluetooth samolepky Wiliot, které získávají energii k chodu podobně jako NFC 

Přesně o to se už roky pokouší izraelský startup Wiliot. V roce 2017 jsme o něm slyšeli poprvé, ale byli jsme ostražití, podobné technologické firmy totiž média bombardují svými vynálezy v podstatě každý den, ačkoliv ke skutečné komercializaci nápadu to dotáhne jen málokdo. Ostatně, stačí s vzpomenout na ten dlouhý zástup firem, které už déle než dekádu slibují nástup zcela nových baterií, anebo alespoň viditelnou revoluci těch lithiových.

Bluetooth samolepka bez baterie

Projekt Wiliot však i po třech letech žije dál a nebýt pandemie koronaviru, první bezbateriové Bluetooth tagy by už dnes mířily na trh. Krize vše o nějaký čas posunula. V každém případě víme, že tagy Wiliot by měly být levné a ve formě drobné samolepky, která může být součástí prakticky čehokoliv počínaje nádobou od jaru a konče třeba krabicí od laptopu.

Klepněte pro větší obrázek
2,4GHz pásmo je  zejména ve městech plné vyzářené energie, kterou neumíme znovu využít

Wiliot se podobně jako NFC čip živí rádiovou energií, kterou na anténce mění v dostatečně silný elektrický proud, který pohání řídící jednotku na bázi čipu kategorie ARM Cortex-M0+. Mimochodem, to nemusí být žádné ořezávátko, ale jednotka, která výpočetním výkonem strčí hravě do kapsy i populární stavebnice Arduino a jim podobné. V případě Wiliotu se jedná o kompletní SoC, který obsahuje i senzorovou část včetně teploměru a dalších čidel.

Klepněte pro větší obrázek
Natištěná anténa a armový SoC. Tak vypadá prototyp bezbateriového Williotu

Podobná samolepka se může v dosahu rádiové energie průběžně probouzet a odpovídat šifrovanou zprávou skrze běžný protokol Bluetooth 4.x/5.x, takže ji zachytí každý současný mobil. Co je však nejdůležitější, technologie na rozdíl od NFC nefunguje na vzdálenost nejvýše několik milimetrů, ale v řádu jednotek metrů.

Prací prášek konečně s Bluetooth?

Potenciál využití je tedy obrovský od chytré logistiky po chytrou domácnost. Představte si například velké rodinné balení pracích gelů do pračky, které by bylo vybavené podobným tagem a do centrály chytré domácnosti (nebo do aplikace v mobilu) by průběžně a bez potřeby baterie hlásilo stav.

Wiliot v několika ukázkách výrobce:

K chodu by té nebohé krabici stačilo už jen to, že vaše moderní domácnost plná mobilů a laptopů září do nejbližšího okolí jako vánoční stromeček. V tomto kontextu je strach z 5G a jeho optimalizačních technik (zejména beam-forming) docela úsměvný, to samé totiž už dnes umí také Wi-Fi kategorie 802.11n/ac.

Podobných experimentů jako Wiliot snad bude přibývat a neskončí jen na papíře, nástup stále úspornějších armových mikrokontrolerů totiž konečně otevírá cestu k úsporné elektronice, která by za určitých okolností opravdu mohla žít jen z ambientního rádiového šumu okolo nás, jehož energie nám zatím vlastně uniká a nedokážeme ji tímto způsobem recyklovat.

Parazitní vysílání pomocí Printed Wi-Fi

V úvodu jsme si ale řekli, že se kutilové z univerzit pokoušejí rádiový šum využít nejen jako zdroj energie, ale i jako komunikační médium. Cože? Jako že by nějaký komunikační signál mohl nést ještě nějaký další – parazitní – signál?

Printed Wi-Fi, které komunikuje pomocí deformace stávajícího signálu:

Ano, přesně o toto se pokoušejí třeba inženýři z Washingtonské univerzity, kteří před lety začali pracovat na studii Printed Wi-Fi, kterou nadále vylepšují. Aktuálně ji připomněl třeba oborový magazín IEEE Spectrum.

Oč se jedná v tomto případě? I tentokrát je o elektroniku bez jediné baterie, a dokonce i jakéhokoliv mikročipu. Přesto se jedná o zařízení, které může pomocí mechaniky a Wi-Fi odeslat třeba do patřičně upraveného mobilu nějakou logickou informaci.

Prací gel, který deformuje Wi-Fi

Vlastně je to celé ďábelsky primitivní nápad. U Wiliotu jsme si za příklad vzali chytré pouzdro s tabletami do pračky. Teď si představte třeba prací prášek v tekutém stavu, a když jej budete lít do zásobníku pračky, v hrdle nádoby se pod tlakem vody roztočí vrtulka.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Printed Wi-Fi pracuje na principu deformování stávajícího Wi-Fi signálu spojováním a rozpojováním obvodu s vytištěnou 2,4GHz anténou

Vrtulka, která bude při každém otočení narážet vodivou ploškou do úderníku ve tvaru 2,4GHz antény. Každé takové spojení vytvoří deformaci v okolním elektromagnetickém poli vibrujícím na stejné frekvenci 2,4GHz, tedy v našem případě v signálu Wi-Fi.

Náš Wi-Fi přijímač pak tyto deformace ve Wi-Fi signálu, který ve skutečnosti nese nějaká úplně jiná data, zachytí a interpretuje je po svém.

Wi-Fi tlačítko bez baterie a z 3D tiskárny

S podobnými deformacemi se musejí Wi-Fi přijímače v běžných podmínkách vyrovnávat stále dokola, a proto jsou také tak sofistikované a odolné vůči rušení. Zatímco tedy Wi-Fi data X korektně dorazí z bodu A do bodu B, naše zařízení C si z téhož signálu vezme ještě údaj třeba o stisku tlačítka, které nemá žádnou baterii, anebo třeba právě počet otáček z toho hypotetického hrdla nádoby s tekutým pracím práškem.

Klepněte pro větší obrázek
Roztočená vrtulka vytvoří v již existujícím Wi-Fi signálu další parazitní ve formě náhlých pulzů, které může interpretovat speciální přijímač.

To vše bez jediného integrovaného obvodu – jen díky primitivnímu mechanickému pohybu. Právě proto se také celý experiment jmenuje Printed Wi-Fi, protože všechny části vysílače můžete vyrobit na běžné domácí 3D tiskárně a ke stažení jsou i patřičné modely. Budete jen potřebovat speciální filament (tiskovou hmotu) s příměsí mědi, abyste dokázali vytisknout i vodivé spoje.

Zatímco Wiliot pomalu míří do výroby u partnerů, Printed Wi-Fi zůstává čirým akademickým experimentem, který spíše ukazuje, jaké využití by jednou mohl mít rádiový smog všude okolo nás a jehož energii stále nedokážeme pořádně využít.

Přitom by to mohl být základ bezobslužného IoT zítřka, které se obejde bez rozměrných solárních panelů a baterií, které je třeba měnit. A jelikož spotřeba k tomu určených armových čipů stále klesá, jednou se možná bezbateriová elektronika skutečně stane realitou.

Diskuze (8) Další článek: Starlink již v USA využívají indiáni i pohotovostní složky

Témata článku: Android, Arduino, Wi-Fi, Energie, Elektřina, Rádio, Bluetooth, Velká Británie, Obnovitelné zdroje, Baterie, NFC, Mobil, Smog, Bluetooth Low Energy, IEEE Spectrum, Tag, Elektronika, Wiliot, Čip, Washingtonská univerzita, SoC, Signál, BTS, Elektrická energie

Aktuální číslo časopisu Computer

Velký test fitness náramků

Levné záložní zdroje

Jak si zabezpečit domov

Nejlepší monitory na trhu