研究者らは、電気を空中で安全に送電するシステムを開発した。
この技術により、建物全体がワイヤレス充電ゾーンに変わる可能性がある。
研究チームは、部屋の大きさより小さい空間にもこのシステムを実装する取り組みも進めており、例として、中に入れた工具を充電できる工具箱が挙げられる。
研究者らは、電気を空中で安全に送電するシステムを開発した。これにより、建物全体がワイヤレス充電ゾーンに変わる可能性がある。
新たな研究が Nature Electronicsに発表されており、この技術は磁場を用いて50ワットの電力を送電できる。
スマートフォンやノートパソコンを無線化するだけでなく、この技術は次のものへの給電も可能にする。体内に埋め込まれた医療機器さらに、家庭や製造施設において移動ロボット工学の新たな可能性を開くとされる。研究の筆頭著者であり、ミシガン大学のコンピュータサイエンス・工学教授であるアランソン・サンプル氏はこう述べている。
研究チームは、部屋の大きさより小さい空間にもこのシステムを実装する取り組みも進めており、例として、中に入れた工具を充電できる工具箱が挙げられる。
「これは遍在コンピューティングの世界の力を大きく高めるものだ。充電や差し込みを気にすることなく、あらゆるものにコンピュータを組み込めるようになる」とサンプル氏は述べている。
「臨床応用も多くある。例えば、現在の心臓インプラントは、ポンプから体内を通って外部電源まで延びる配線を必要とする。この技術があれば配線が不要になり、感染リスクを減らし、患者の生活の質を向上させられる」。
東京大学の研究者らが主導するこの研究チームは、約10フィート四方の専用アルミニウム製試験室で技術を実証した。人や家具の配置にかかわらず、室内のどこからでも電流を取り出せるランプ、扇風機、携帯電話へ無線で給電することに成功した。
このシステムは、従来のワイヤレス充電システムから大きく改良されたものである。従来のシステムは、人体への影響が懸念されるマイクロ波放射を用いるか、機器を専用の充電パッド専用の充電パッドの上に置く必要があった、と研究者らは説明している。代わりに本システムは、部屋の壁面にある導電性の表面と導電性のポールを用いて磁場を発生させる。
機器は、スマートフォンなどの電子機器に組み込める巻線コイルで磁場を受け取る。研究者らによると、このシステムは工場や倉庫などの大型構造物にも容易に拡張でき、電磁場への曝露に関する既存の安全ガイドラインも引き続き満たすという。
「このような技術は新築で最も導入しやすいが、既存建物への後付けも可能だと考えている」と、責任著者で東京大学の研究者である笹谷拓也氏は述べている。「例えば一部の商業施設にはすでに金属製の支柱があり、壁面に導電性の表面をスプレーで施工することも可能なはずだ。天井の凹凸仕上げと同じような方法で施工できるかもしれない」。
サンプル氏によると、このシステムを機能させる鍵は、部屋全体に及ぶ磁場を生み出しつつ、生体組織を加熱しうる有害な電場を閉じ込める共振構造の構築にあったという。
研究チームの解決策では、集中定数型コンデンサと呼ばれる装置を用いた。壁の空洞に設置されたこの装置は、部屋全体に共振する磁場を発生させるとともに、電場をコンデンサ内部に閉じ込める。これにより、従来のワイヤレス給電システムの限界を克服した。従来のシステムは、数ミリメートルの距離に大きな電力を送るか、長距離に極めて小さな電力を送るかのいずれかに限られていた。
もう一つの課題は、部屋の隅々まで届く磁場をどのように発生させるかであった。磁場は円形のパターンで伝わる傾向があり、四角い部屋では死角が生じやすい。さらに、受電側は電力を取り出すために磁場と特定の向きで合わせる必要がある。
「コイルを使って空中で電力を取り出すことは、網で蝶を捕まえることに非常によく似ている」とサンプル氏は述べる。「ポイントは、できるだけ多くの蝶を、できるだけ多くの方向に舞わせておくことだ。そうすれば、網をどこに置いても、どちらに向けても、蝶を捕まえられる」。
これを実現するため、このシステムは二つの独立した3次元磁場を生成する。一つは部屋の中央のポールの周囲を円を描いて移動し、もう一つは隅の部分で渦を巻きながら、隣接する壁の間を移動する。この方式により死角がなくなり、空間内のどこからでも機器が電力を取り出せるようになる。
人体の模型を用いた試験では、電磁エネルギー曝露に関するFCCのガイドラインを超えることなく、部屋内のどの位置にも少なくとも50ワットの電力を送電できることが示された。ただし、サンプル氏によると、システムをさらに改良すれば、より高い電力レベルでの送電も可能になる可能性が高いという。
研究者らは、商業施設や住宅での本システムの導入はまだ数年先になる見込みだと指摘している。現在、ミシガン大学のキャンパス内の建物でシステムの試験を進めており、今年秋の完了を予定している。標準的な建築工法を用いる一連の部屋に、既存建物への後付けと新築の両方の形で実装する予定である。
東京大学の他の研究者もこの研究に貢献した。研究には、科学技術振興機構および日本学術振興会の支援を受けた。
