導讀
近日，美國麻省理工學院聯合其他科研機構開發出首個能將WiFi信號的能量轉化為電力的完全柔性設備。
背景
如今，我們身邊的各種電子產品，例如智能手機、筆記本電腦、可穿戴設備等，幾乎都離不開電池供電。然而，電池卻存在著使用壽命有限、續航能力有限、需要反覆充電、安全隱患等問題。因此，電池也成為了影響現代電子產品性能與用戶體驗的關鍵因素之一。
為此，科學家們一直在積極研發讓電子產品擺脫電池的新型供電方案。之前，筆者也為大家介紹過許多這方面的案例。接下來，讓我們先來看幾個經典案例：
（一）美國華盛頓大學發明的全球首款無需電池的手機，能從周圍環境中的無線電信號或者光線中獲取幾微瓦的能量，保證正常手機通話。
（圖片來源：Mark Stone/華盛頓大學）
（二）美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所和約翰·保爾森工程和應用科學學院的科研人員團隊創造出一種無需電池的摺紙機器人，它能夠通過磁場，無線地提供能量和進行控制，展開可重複的複雜運動。
（三）中國科學院、重慶大學、美國佐治亞理工學院、臺灣科技大學等機構的科研人員組成的團隊，在中華傳統剪紙藝術啟發下，開發出一種輕量的、剪紙式樣的摩擦電納米發電機（TENG），能採集人體運動的能量，為電子產品供電。
（四）美國密歇根州立大學的科研人員開發出由鐵電駐極體納米發電機（FENG）組成的柔性設備，讓電子設備直接從人體運動中採集能量。
創新
今天，筆者要為大家介紹一項讓電子產品擺脫電池的新科研進展。
近日，美國麻省理工學院聯合其他科研機構（馬德里理工大學、美國陸軍研究實驗室、馬德里卡洛斯三世大學、波士頓大學、南加利福尼亞大學）開發首個能將WiFi信號的能量轉化為電力的完全柔性設備，它可以為電子產品供電。
（圖片來源：Christine Daniloff）
能將交流變化的電磁波轉化為直流電的設備被成為“整流天線”。在《自然（Nature）》期刊上發表的論文中，研究人員們演示了一種新型整流天線。
技術
該整流天線採用了一個柔性射頻（RF）天線，以交流變化的波形捕捉電磁波（包括攜帶WiFi信號的那些）。然後，這個天線被連接至一個由僅為幾個原子厚度的“二維半導體”製成的新型器件。這種交流信號傳送到半導體中，被半導體轉化為直流電壓，而直流電壓可用於為電子電路供電或者為電池充電。
通過這種方式，無需電池的設備被動地捕捉無處不在的WiFi信號，並將其轉化為有用的直流電源。更進一步說，該設備是柔性的，並能通過“卷對卷（roll-to-roll ）“工藝製備，從而可以覆蓋非常大的面積。
所有的整流天線都依賴一個稱為“整流器”的元件，這個元件將交流輸入信號轉化為直流電源。傳統的整流天線將硅或者砷化鎵用於整流器。這些材料可以覆蓋WiFi頻段，可惜它們是剛性的。儘管採用這些材料製造小型器件相對便宜，但用它們覆蓋大面積，例如建築物與牆壁的表面，成本過高。長期以來，研究人員們一直在嘗試解決這些問題。但是目前所報告的柔性天線很少工作在低頻率下，並且無法捕捉與轉化千兆赫頻率的信號，然而大多數相關的手機和WiFi信號都處於這個頻率。
為了構造他們的整流器，研究人員們採用了一種稱為“二硫化鉬（MoS2）”的新型二維材料。它只有三個原子的厚度，是全球最薄的半導體之一。MoS2 可用於構造柔性的半導體元器件，例如處理器。
由二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）
這麼做時，團隊利用了二硫化鉬的一種“奇特”行為：當接觸特定的化學物質時，材料的原子會重新排列，表現得如同開關一樣，產生一種從半導體到金屬材料的相變。這種結構也稱為“肖特基二極管”，它是利用金屬與半導體接觸形成的“半導體-金屬結”原理製作的。
基於二維自對齊的MoS2異質結構的柔性整流天線（圖片來源：參考資料【2】）
論文第一作者、電子工程與計算機博士後 Xu Zhang（不久將成為卡耐基梅隆大學的助理教授）表示：“通過將 MoS2 設計成二維的半導體-金屬結，我們構建出了原子薄度、超高速的肖特基二極管，它可以同步減少串聯電阻與寄生電容。”
在電子器件中，寄生電容是一種不可避免的情況。這種情況下，特定的材料存儲少量的電荷，將使電路速度變慢。因此，寄生電容越低，整流器速度就越快，運行頻率也越高。研究人員們設計的肖特基二極管中的寄生電容，比目前最先進的柔性整流器中的寄生電容，要小一個數量級。因此，這種二極管的信號轉化速度更快，可採集並轉化10GHz的無線信號。
Zhang 表示：“這種設計將帶來一種完全柔性的設備，它快到可覆蓋我們日常使用的電子器件的大多數射頻頻段，例如WiFi、藍牙、蜂窩LTE等。”
MoS2“相-結”整流天線作為無線射頻能量採集器（圖片來源：參考資料【2】）
研究人員所報告的工作，為將WiFi轉化為電力的其他柔性設備提供了藍圖，這些柔性設備具備足夠大的輸出和效率。根據WiFi輸入信號的輸入功率，目前設備的最大輸出效率約為40%。在典型的WiFi功率等級下，MoS2 整流器的能量效率約為30%。相比而言，目前最佳的硅和砷化鎵整流天線（由更加昂貴的剛性材料硅和砷化鎵製成）實現了差不多50%到60%的效率。
價值
論文合著者之一、麻省理工學院微系統技術實驗室的 MIT/MTL 石墨烯器件與二維繫統研究中心主任 Tomás Palacios 表示：“假如我們開發出的電子系統，能夠環繞大橋，或者覆蓋整個公路，或者覆蓋辦公室牆壁，並將電子智能帶給我們周圍的每個物體，那將會如何？你如何為這些電子產品供電？我們提出了一種新辦法來為這些未來的電子系統供電，通過一種可簡單大面積集成的方式採集WiFi的能量，為我們身邊的每個物體帶來智能。”
科學家們提出的這種整流天線的早期應用包括為柔性與可穿戴設備、醫療設備、“物聯網”傳感器供電。例如，對於主要的技術公司來說，柔性智能手機將是一個熱門的新市場。在實驗中，當研究人員們將器件放置到典型的WiFi信號功率級別（150微瓦左右）的環境中，它可以產生出40微瓦的功率。這個功率足以點亮一個簡單的移動顯示屏，或者為硅芯片提供電力。
論文合著者之一、馬德里理工大學的研究員 Jesús Grajal 表示，另外一個可能的方案就是為植入式醫療設備的數據通信供電。例如，研究人員們正在開始開發能被患者吞服的藥丸，並將健康數據發回給計算機診斷。
Grajal 表示：“理想情況下，你不會想用電池來為這些系統供電，因為如果電池洩露鋰，那麼患者可能會死亡。從環境中採集能量，為體內的這些小型實驗室以及與外部計算機的數據通信提供電力，具有明顯的優勢。”
目前，團隊正在計劃打造更加複雜的系統並提升效率。
關鍵字
半導體、二維材料、柔性電子、可穿戴技術、物聯網【1】http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128
【2】Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1
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