カーネギーメロン大学の研究チームが、人体から直接電力を供給できる画期的な技術「Power-over-Skin」を発表した。この技術は、人体が生成する40MHz帯のRFエネルギーを活用し、バッテリーなしでウェアラブルデバイスを駆動させることを可能にする画期的なものだ。
革新的な電力供給メカニズム
研究チームのAndy Kong氏、Daehwa Kim氏、Chris Harrison氏らは、装着型デバイスの小型化と常時利用という二つの大きな課題を同時に解決する可能性を示した。従来のウェアラブルデバイスが直面していたバッテリーによる重量とサイズの制約、そして定期的な充電の必要性という問題に対して、“人体”を利用するという革新的なアプローチを提示したのだ。
Power-over-Skinは、人体そのものをRFエネルギーの伝送媒体として利用する画期的な技術だ。研究チームは、送信機から受信機まで頭からつま先までの距離でも電力供給が可能であることを実証した。最も効率的な条件下では平均1.53mWの電力供給を達成し、これはマイクロコントローラーやセンサー、ディスプレイ、無線通信機能を駆動させるのに十分な電力量であることが示された。
システムの核となる技術は、人体の静電容量を利用したRFエネルギーの伝送方式にある。40MHz帯の周波数を採用することで、人体内での効率的なエネルギー伝送を実現している。この周波数帯は人体への悪影響が少なく、かつエネルギー伝送効率が高いことが特徴だ。さらに、皮膚との直接接触を必要としない静電容量式の結合方式を採用しており、衣服を通しても機能する。これにより、スマートフォンのポケット内やARヘッドセットのパッドなど、既存のデバイスへの統合も容易になっている。
送信機と受信機の設計においても、細部まで配慮がなされている。送信機は比較的大きなサイズで設計され、システム内で唯一のバッテリーを内蔵する。一方、受信機は極めて小型に設計され、様々な装着型デバイスへの組み込みを可能にしている。研究チームは、電力伝送の効率を最大化するため、インピーダンスマッチング回路の最適化や、電力管理システムの改良など、多岐にわたる技術的な改良を行っている。
実証されたアプリケーション
研究チームは、Power-over-Skinの実用性を示すため、複数の実証デバイスを開発した。その中でも特に注目すべきは、Bluetoothリングコントローラーの開発だ。このデバイスは手首に装着した送信機から電力を受け取り、ジョイスティックによる入力をBluetoothで送信することができる。これにより、AR/VR環境での直感的な操作が可能になる。
医療分野での応用も見据えた開発も進められている。長期的な健康モニタリングを目的とした医療用パッチは、体温データを定期的に測定し、Bluetooth経由でデータを送信する機能を備えている。このパッチは、わずか5.4グラムという軽量性を実現しながら、バッテリー交換なしでの継続的なモニタリングを可能にしている。
さらに、環境センシング用途として、E-inkディスプレイを搭載した日光暴露メーターも開発された。このデバイスは、フォトダイオードで光量を測定し、その強度を5段階のE-inkディスプレイに表示する。E-inkディスプレイは表示の更新時のみ電力を消費する特性を活かし、限られた電力供給下でも実用的な表示機能を実現している。
装飾品としての可能性も示されている。開発されたLEDイヤリングは、蓄積された電力によってLEDを点滅させる機能を持つ。このデバイスは、ヘアバンドに内蔵された送信機から電力を受け取り、バッテリーレスでの動作を実現している。
これらのデモデバイスは、いずれも単一の送信機から電力供給を受けて動作する。研究チームは、複数のデバイスを同時に駆動させた場合でも、それぞれが実用的な電力を確保できることを確認している。これは、Power-over-Skinが実際のウェアラブルエコシステムにおいて、有望な電力供給手段となり得ることを示している。
論文
参考文献
- Future Interface Group: Power-over-Skin: Full-Body Wearables Powered By Intra-Body RF Energy
- via Tom’s Hardware: Research team uses the human body to power wearables — addresses major obstacle of conventional batteries
研究の要旨
強力なコンピューティング・デバイスは現在、身体に簡単に装着できるほど小型化している。 しかし、バッテリーは重量と体積を増加させ、一般的に定期的なデバイスの取り外しと充電を必要とするため、デザインとユーザーエクスペリエンスに大きな障害をもたらします。 そこで私たちは、人体そのものを利用して、バッテリーのない多くの分散型ウェアラブル・デバイスに電力を供給するアプローチ、Power-over-Skinを開発した。 我々は、センシングとワイヤレス通信が可能なマイクロコントローラーに電力を供給するのに十分なエネルギーで、頭からつま先までの距離から電力を供給することを実証した。 最終的なシステムを検証する実験だけでなく、我々の実装に情報を与えた研究キャンペーンの結果も共有する。 最後に、入力コントローラーから縦方向の生体センサーに至るまで、いくつかのデモンストレーション装置を紹介し、我々のアプローチの有効性と可能性を強調する。
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