无需电池，能量采集技术如何塑造物联网未来？

　　能量收集指的是从环境中捕获周围能量的做法。其中包括你可能听说过的太阳能、风能等能量形式，也有一些不太为人熟知的，比如振动能和运动能。这一领域是研究的热点，因为它能让物联网设备在安装时无需有线供电，也无需定期更换电池。研究工作中的一大核心问题是，环境中的能量来源往往不稳定。

　　据预测，物联网设备的数量将大幅增长，从2025年的198亿台增至2034年的406亿台以上。这些设备大多要么需要插电，要么依靠电池供电。

　　这存在两大明显弊端：能源生产通常会对环境造成影响;而且电池需要定期更换。当设备数量庞大，或者设备安装在偏远地区时，更换电池就变得十分困难。

　　而能量收集技术恰好能提供解决方案。

　　IEEE(电子电子工程师学会)会员Shreenithi Lakshmi Narasimha表示：“能量收集是从环境中捕获少量能量(如阳光、热量、运动或无线电波)并将其转化为可用电力的过程。”

　　IEEE高级会员Alandey Severo da Silva则指出，能量收集的主要目标是“让设备能够自主运行，从而减少甚至完全摆脱对传统电池的依赖”。

　　能量收集的应用形式有哪些？

　　设备有多种方式可以收集能量以替代电池供电。

　　Silva进一步举例说明：“太阳能计算器将阳光转化为电能，而自动上链手表则利用佩戴者手臂运动产生的机械能。”

　　其他例子还包括：从桥梁等建筑物的振动中获取能量的传感器;利用人体热量(即热能)发电的可穿戴设备。未来的设备还有能力从周围的 Wi-Fi 信号中收集能量，因为这些信号属于电磁波。

　　太阳能花园灯、靠体温运行的手表，甚至是通过行走供电的手机充电器，这些日常例子都展现了如何捕获和利用环境能量，而无需依赖传统电池或电源插座。

　　能量收集的优势

　　2025年，全球每天预计有7800万块为物联网设备供电的电池被丢弃。Lakshmi表示：“随着数十亿物联网设备投入使用，电池生产和处理所带来的环境成本将难以为继。能量收集技术将是实现电子设备净零排放的关键。”

　　能量收集不仅为电池技术提供了可持续的解决方案，还为简化6G及下一代无线系统的网络架构开辟了道路。

　　IEEE高级会员Maria Crueza Borges de Araújo表示：“利用环境能量收集技术有助于打造自供电设备，这将为网络带来更高的自主性。在当前无线系统基础设施不足的偏远环境中，新型能量收集设备能提升6G或下一代网络的可扩展性，传感器也可部署在偏远地区，无需频繁充电或更换电池。”

　　能量收集还带来了更大的设计灵活性，因为这类设备无需预留空间容纳笨重的电池或充电接口。这使得以往无法实现的新产品设计和应用成为可能。

　　IEEE高级会员Dheerendra Panwar称：“设计将向模块化、无源化和节能型架构转变，以减少对电池的依赖。可穿戴设备或许会采用运动和体温收集技术，实现更轻薄的外形，且无需频繁充电，延长使用寿命。”

　　能量收集面临的挑战

　　尽管能量收集能为物联网的开发和使用提供更具可持续性的解决方案，但在其推广速度和普及程度方面仍存在挑战。

　　Lakshmi认为：“最大的挑战在于稳定性。环境能源具有波动性 —— 阳光并非时刻可得，射频信号可能微弱，运动也无法保证持续存在。”

　　她补充道，为解决能源供应不稳定的问题，将能量收集与超低功耗设计、边缘智能以及智能储能相结合至关重要。

　　另一个问题是采用能量收集技术的初始成本较高。由于能量收集设备在材料和制造流程上的成本不菲，可能会形成经济壁垒。

　　然而，尽管初始成本较高，但从产品的整个使用寿命来看，长期的成本效益最终会降低总成本。能量收集技术减少了电池更换成本和维护工作，同时提高了整个设备的可靠性。

　　能量收集的未来发展方向

　　要实现能量收集技术的广泛应用，既需要技术的进步，也需要政府的支持。

　　必须通过设计更高效、更紧凑的系统来增强储能能力，以应对收集到的能量供应不稳定的问题。

　　Silva表示：“提高能量转换效率也至关重要。这需要研发出能更高效地将环境能量转化为电能且损耗极小的材料。同时，还需降低这些材料的成本并提高其耐用性，以减少制造成本、延长设备寿命，从而让更多人能够使用这些设备。”

　　Lakshmi指出了更多关键成败因素：

　　“要加快能量收集技术的应用，需要可扩展、低成本的能量收集模块，这些模块能够整合到现有的制造流程中;理想情况下，还需要互联互通的开放标准、对循环电子器件的激励措施、更严格的电子废弃物法规，以及对低功耗无线标准的强制要求。”

　　能量收集技术能为全球范围内日益增多的物联网设备提供可持续的替代方案。随着电池使用量的增加，投资于以能量收集能力为核心的解决方案，有助于减少不断增长的能源需求和消耗。