世界新動力：可收集的環境能源

如何以零能耗設備打造完全連接社會

世界新動力：可收集的環境能源

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想像一下，成千上萬台設備（每台設備比米粒還小）散佈在農民的田地、工廠的車間或我們的衣物上，傳輸著能挽救生命或改變商業的數據。

這些應用範圍可能涵蓋各行各業。想像一下，您正在經營一個佔地數千英畝的農場，該如何檢查作物或牲畜的健康情況？有了零能耗設備，您只需在手機或平板電腦上點擊一個按鈕便可輕鬆獲得此類數據。

想像一下，水果和蔬菜會告訴您它們什麼時候需要照料，什麼時候完全成熟可以採摘，甚至告知您土壤有問題。

在未來幾年，需要連接的設備數量將從數十億飆升到數萬億。在這樣的規模下，低成本、低功耗連接感測器將成為必備的裝置。

為了實現這一目標，各行業需要花費時間、資源並進行研究，瞭解現在及未來有哪些可能性。如果能夠使用來自各種感測器的大量數據，我們便能夠實現無限連網，讓想像成為可能。

未來的幾年中，需要連接的設備將從數十億增加到數兆

什麼是零能耗設備？

零能耗設備不需要任何電池，也不需要手動充電，它們可以從周圍收集能量發電。未來的設備尺寸非常小巧，只有米粒大小，可採用感測器（報告讀取和測量的數據）、追蹤器（報告對象或生物的位置）或執行器（驅動其他機器工作）等形式。

為什麼零能耗設備非常有價值？

採用零能耗設備可大幅降低運行和維護設備所需的成本和電力，增加其可擴充性。從這些設備收集數據也有助於提高生產力、減少污染和豐富人們的生活方式，無需消耗任何額外的能源。另一個好處是，無電池設備對環境更有利，從製造到處置，都可以用簡易的程序來管理。

零能耗設備能幫助物理世界和數位世界更緊密的互相融合，每個維度都可以相互學習、進行調整並回應。數位分身是這一發展的關鍵，零能耗設備可提供大量的感測器數據，用於建構現實世界的數位復刻。隨著零能耗設備的數量不斷增加，未來將出現更多洞察。

如何實現零能耗設備？

這些設備的創造者需要關注如何以經濟實惠且高效的方式獲取最大量的能量，產生最大功率。然後，網路需要能夠以永續的方式支援數百萬台設備，具有無限連接、認知能力，還要能夠在不同條件下即時擴展規模、調整和運作。

這聽起來是一項相當艱巨的任務。然而，這並非不可能——愛立信正與其他公司合作，致力於實現這項目標。

如果雙手相互摩擦，摩擦力就會產生熱能。這些能量就可以透過收集裝置匯集起來，為小型、簡單的零能耗物聯網(IoT)設備及其通訊提供電力。

這裡展示了四種收集能量的方式，並提供深入的資訊。

振動能量收集器

這種能量可能來自測量道路上的交通、洗衣機甚至地震。

什麼是振動能量？
- 電磁能量: 一個很好的例子是磁鐵在線圈中的振動，這會在該線圈內產生電流。
- 壓電能量: 在某些固體材料中，當材料收縮或擴張時產生的電荷，這可能由環境中的振動所引起，像是從樹木移動、駕駛時輪胎的加速或鐵軌的振動中收集能量。
這如何應用於現實世界中？
ReVibe Energy 在振動分析領域具有專業知識。他們的「自供電監測系統」適用於震動篩分機，可以被用來收集並整合機器或「篩分機」的數據，這些機器用於分離材料，例如採礦時收集的不同岩石和礦物。

ReVibe Energy 正在開發系統，將其他形式的振動轉化為能量，例如，軌道上的列車可以產生振動能量。然後，感測系統使用這種能量，即時確定列車的位置，並評估是否需要維護。

熱能收集器

這包括利用咖啡杯的熱量、暖氣的熱度甚至是人體的熱量。

什麼是熱能？
- 熱電效應: 利用兩個區域之間的溫度梯度來產生能量，例如一杯熱巧克力和周圍的空氣之間的溫差。
- 焦電效應: 與上述相似，溫度的變化被轉換為電能。不同之處在於，焦電效應利用的是隨時間變化的溫度，而熱電效應利用的是隨距離變化的溫度。這種效應在像電氣石這樣的礦物中發現，也存在於我們的骨骼和肌腱中。

光伏能量收集器

這是從太陽光或電燈光轉換而來的能量，是最強大的環境能源之一。

什麼是光伏能量？
- 光伏能量來自太陽能電池，太陽能電池與太陽能模組相連，組成太陽能電板。太陽光被電板內的光伏電池吸收，產生電荷變化，這些電荷移動到電池內的內部電場中。
這如何應用於現實世界中？
德國電信（Deutsche Telekom）與愛立信（Ericsson）合作，成為全球首家使用單一管理系統實施混合電力管理解決方案的電信營運商，首次利用太陽能為行動寬頻站點提供電力。在德國迪滕海姆市（Dittenheim）的行動站點中，截至2021年7月，太陽能平均貢獻了整體電力供應的14％。

無線射頻能量收集器

任何具有無線射頻的設備，如Wi-Fi信號、藍牙、衛星通信和廣播信號。

什麼是射頻能量？
- 射頻能量收集，或稱為RF能量收集，是一種無線電能傳輸技術，通過接收射頻信號並將其轉換為電能。與其他環境能源相比，射頻能量通常較低，但它幾乎無所不在。信號通過天線獲得，然後通過整流二極管轉換為直流電壓。實際上，這種能量通常非常低，難以存儲供以後使用。
這如何應用於現實世界中？
愛立信正在與美國的頂尖大學密切合作，致力於實現硬體技術的突破，能夠直接從無線電信號中收集能量，並將其用於網路連接。

零能耗設備的原理為何？

它們為極低成本的感測器或執行器提供連接功能，並具有最小的維護和環境要求。

每台設備必須由環境能量供電。例如，太陽能電池產生的電壓必須高於一定的閾值才能使用。但產生的電壓往往不夠高，因此在這方面進行改善是一個挑戰。累積的環境能量可用於兩類設備：

被動型零能耗物聯網設備，具有反向散射能力，它們是沒有儲能功能的無電池設備。
主動型零能耗物聯網設備，具有能量收集功能，它們儲能能力有限，但不需要手動充電或更換。在短時間環境能量不可用情況下，它們仍能夠工作。另一個優點是，主動型設備的覆蓋範圍較被動型好。

升級零能耗設備和網路技術，解鎖無限連接的可能性。

基於無線感測器的無電池永續世界一直是我們追求的目標，在與主力企業的共同協作推動下，我們已經取得了令人難以置信的進展。

為了充分釋放零能耗設備的潛力，我們需要採用整體性方法。對於設備本身來說，能量收集技術以及封裝和低功耗積體電路設計都需要進一步提高。愛立信與麻省理工學院（MIT）合作，探索新材料和超低能耗設計，以獲得無線信號。

能源收集公司紛紛採取措施推動技術進步，物聯網系統開發公司Everactive就是一個典範。 Everactive聯合創始人David Wentzloff介紹了零能耗設備的諸多優勢：「我們預計，與今天的4G物聯網行動產品相比，零能耗設備將使功耗降低1萬多倍，而且不會損失功能，主要是在最大下行鏈路延遲方面。零能耗無線硬體可以更長時間處於『開啟』狀態，提供更好的連接性，更低的延遲，並簡化設備的配置和部署。」

「我們預計，與今天的4G物聯網行動產品相比，零能耗設備將使功耗降低1萬多倍。」

David Wentzloff ，Everactive聯合創始人

從長遠來看，Everactive在工廠和工業設施中部署了超過1.5萬個無電池傳感器。以前，互聯產品的開發人員被迫在設備使用壽命和數據品質（以測量頻率衡量）之間進行抉擇，而Everactive已能夠降低電子設備的電力需求，使用可無限補充的採集能源以保證提供高品質的數據。

以前的3GPP行動技術並非為零能耗設備而設計。隨著6G的到來，相關標準將影響網路的設計，以優化能效和連接性。

未來的網路需要管理數十億台設備，其架構設計需要優化能效和連接性。這種6G行動零能耗設備技術的市場條件現已成熟，將為6G及以後的革命性物聯網技術奠定基礎。

人工智慧將進一步利用零能耗設備的使用。借助人工智慧的能力，人們將能夠根據簡易、低成本感測器收集的資訊得出複雜、高精度的結論，儘管每個單獨的感測器性能較低。

例如，將建築中由大量低解析度濕度感測器收集、且經過人工智慧解析的資訊整合在一起，可準確找到漏水點或屋頂漏洞，避免其造成重大結構性破壞，而不需要將工作人員送入危險的環境進行勘察。

這就是愛立信創造差異的領域。

以下是一些可實現的案例，展示零能耗設備如何改變眾多行業：

預防野火

零能耗設備（以微小顆粒的形式）與巡邏的無人機連接，可對潛在的野火發出警告，並觸發預防行動。當技術成熟後，這些生物可降解設備在發揮作用後可完全分解，不留痕跡。

照顧您的身體

智慧服裝可自動矯正人體姿勢，或提醒使用者不要久坐久站，這會改變醫療保健行業。嵌入在服裝纖維中的感測器將向零能耗設備發送重要資訊，提醒使用者調整或糾正姿勢。

健康與心理

醫療保健應用的範圍將進一步擴大，從監測和疾病診斷到可穿戴設備和可植入零能耗設備或感測器。這些感測器和設備不需要手動充電，它們可以完全依靠人體產生的能量運行。

農牧與農業

農民可以使用連接到基地台的感測器追蹤牲畜和作物的生長和健康情況。他們可以將手機或平板電腦連接到基地台，接收重要資訊。這可以用於定位偏離牛群或生病需要就醫的牛隻。

倉儲的未來

通過掃描庫存交貨資訊，我們可以在無需手動更改庫存數量下，進行準確快速的自動盤點檢查。環境物聯網設備將能夠將庫存資訊傳遞到倉庫內的5G網路。電腦或平板電腦可自動更新庫存情況，倉管人員能夠通過電腦或平板電腦獲得這些資訊。

製造業和採礦業

ReVibe Energy在振動分析領域擁有專業知識。它們的自供電感測器系統可監測，在採礦時將收集到的不同岩石和礦物等材料分開的分離振動儀。資料透過無線方式傳輸至雲端服務，使用者可以透過該資料查看螢幕的狀態，並對任何可能的維修問題採取行動。分離振動儀不能與電纜或電線一起配套運作，因為強烈的振動會使電纜鬆動。與此同時，振動創造了一個收集能量的機會，原本這種能量會被浪費掉。

引入零能耗設備為感測器提供了「永久電池」，因為ReVibe Energy的感測器中沒有電池。它為最終使用者生成了大量有價值的數據。這些數據可以提示潛在問題，通知維護調度，並助於優化性能。

未來的建築

人們可以使用感測器監測建築物和辦公室，自動發現即將出現的問題，甚至還可以進行預防性維護，例如發現牆壁出現的裂縫。如此一來，建築物的使用壽命將得到延長，居民或企業員工可取得崁入在建築本體中感測器的數據，確保自己居住和工作的場所的安全。

北歐建築公司（NCC）的策略、研究和創新主管Fredrik Vernersson表示：“當我們在建造建築物或基礎設施時，我們很重視施工階段及其使用後的性能。針對前者的測量，我們使用濕度和溫度感測器，目的是控制混凝土的乾燥過程。針對測量使用後的性能，我們使用溫度和『CO2』感測器，以及測量橋樑、道路和隧道的長期性能（例如，由負載改變引起的變化）的感測器，而無需進行破壞性測試。 ”

有了這些數據，人們就可以創建數位分身，以即時調整、回應和監測。這允許使用者在虛擬環境中操控和調整數據，以突出任何潛在影響或問題，而不影響實際物件。這些數位分身有助於減少生產過程中的浪費並降低成本，同時提高效率。

到2030年，庫存管理和工業監測將成為零能耗設備的重要市場。使用自動庫存檢查，消除手動盤點的需求，還有助於防止庫存數量不合，最終節省資金，減輕倉儲業工人的壓力。

而這只是眾多案例之一，因為這項技術能夠發掘出超乎我們想像的用途。

零能耗設備將徹底改變人類與機器的連接方式。它們將創造更加永續、智慧的未來，隨著網路不斷發展，這些設備的普及將帶來更多的可能性。

從建築業到農業，各個行業都將從中受益，節省時間和資金，並能夠專注於推動技術進步。

零能耗未來將改變、改進和轉變您生活或業務的哪些領域？