新しい携帯電話は電池の代わりに、周囲の無線信号や光という別の電源から、必要なわずか数マイクロワットの電力を取り込む。
研究者らは電池不要の電話でSkype通話も行い、市販の既製部品で作られた試作機が音声を送受信し、基地局と通信できることを実証した。
「ほぼゼロの電力しか消費しない、実用可能な携帯電話としては初めてだと考えるものを開発しました」と、ワシントン大学のコンピューターサイエンス・工学准教授で、論文の共著者でもあるシャム・ゴラコタ氏は述べる。同論文は、Association for Computing MachineryのInteractive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologiesに掲載された論文。
「環境からエネルギーを取り込んで電話を動かすには、消費電力を本当に、本当に低く抑える必要があります。そのため、こうした機器の設計を根本から考え直さなければなりませんでした。」
研究者らは、現代の携帯電話通信の大半で電力を大量に消費する工程、つまり音声を伝えるアナログ信号を、電話が理解できるデジタルデータに変換する工程をなくした。この処理は非常に多くのエネルギーを消費するため、周囲の電源に頼る電話を設計することは不可能だった。
その代わりに、この電池不要の携帯電話は、人が電話に向かって話したり、通話を聞いたりする際に、電話のマイクやスピーカーに生じる微細な振動を利用する。
これらの部品につながったアンテナが、その動きを、携帯電話基地局から発せられる標準的なアナログ無線信号の変化に変換する。この処理では、ほとんど電力を使わずに、反射した無線信号に音声のパターンを実質的に符号化する。
音声を送信するとき、電話はマイクの振動を使い、反射信号に音声のパターンを符号化する。音声を受信するときは、符号化された無線信号を音の振動に変換し、電話のスピーカーで拾う。試作機では、ボタンを押して「送信」と「受信」の2つのモードを切り替える。
チームはプリント基板上に市販の既製部品を用い、試作機が音声とデータの送信、ボタンによるユーザー入力の受信といった基本的な電話機能を実行できることを実証した。Skypeを使い、研究者らは着信を受け、発信し、通話相手を保留にできた。
「今日、私たちが最も頼りにしている機器は携帯電話です。電池なしで使えるようにしたい機器を1つ挙げるとすれば、それは携帯電話でしょう」と、教員側の責任者で電気工学教授のジョシュア・スミス氏は述べる。「私たちが開発した概念実証は、今の時点でも期待が持てますし、将来、日常的な機器に影響を与える可能性があると考えています。」
チームは無線信号を送受信する専用基地局を設計した。しかし、この技術は、標準的な携帯電話ネットワークのインフラや、現在通話に広く使われているWi-Fiルーターに組み込める可能性がある。
「将来、すべての携帯電話基地局やWi-Fiルーターに、私たちの基地局技術が組み込まれることも考えられます」と、研究員で共著者のヴァムシ・タラ氏は述べる。「すべての家庭にWi-Fiルーターがあれば、どこでも電池不要の携帯電話を使えるようになるでしょう。」
電池不要の電話でも、一部の操作には少量のエネルギーが必要だ。試作機の電力予算は3.5マイクロワットである。
研究者らは、この少量のエネルギーを2種類の異なる電源から取り込む方法を実証した。電池不要の電話の試作機は、最大31フィート離れた基地局が送信する周囲の無線信号から集めた電力で動作できる。
米粒ほどの小さな太陽電池で周囲の光から電力を取り込むと、この機器は50フィート離れた基地局と通信できた。
温度センサーや加速度計など、周囲のエネルギー源に頼る他の多くの電池不要技術は、断続的に動作させて電力を節約する。測定値を取得した後、次の作業に必要なエネルギーを集める間、1、2分「スリープ」状態になる。これに対し、通話では会話が続く間、機器を連続して動作させる必要がある。
「電話がスリープ状態になって送信を続ける電力を蓄えるまで1分待ってから、こんにちはと言うわけにはいきません」と、共著者で電気工学の博士課程に在籍するブライス・ケロッグ氏は述べる。「最大の課題はそこでした。周囲の無線信号や光から実際に集められる電力は、1または10マイクロワット程度です。そのため、音声の送受信にまったく新しい手法を開発しない限り、リアルタイムの電話機能を実現するのは非常に困難でした。」
チームは次に、電池不要の電話の動作範囲を広げ、会話を暗号化して安全にすることに取り組む予定だ。また、電池不要の携帯電話で動画をストリーミングし、低消費電力の電子ペーパーディスプレイを使って画面表示機能を追加する作業も進めている。
この研究は、米国国立科学財団とGoogle Faculty Research Awardsの助成を受けた。
