作者：Sophia
過去多年間(jian)，降低(di)終(zhong)端節點功耗(hao)一(yi)直是物聯網核心研究方(fang)向之(zhi)一(yi)，催生了NB-IoT、LoRa、5G RedCap、低功耗藍牙、WiFi Halow等多項技術標準。然而，已有的低功耗物聯網技術大部分需要電池供電，這存在很多問題：一方面，海量物品受限于成本剛性制約，難以采用有源物聯網模組實現連接；另一方面，眾多有連接需求的物件受限于其分布廣泛、需靈活移動等因素，或者應用于高溫、極低溫、高壓等極端場景，導致終端設備的電池更換困難或無法直接靠電池供電——無源物聯網正是解決這些需求的有效手段。
無源物聯網是指連入網絡的終端節點設備不接外部電源、不帶電池，而是從環境中獲取能量，從而支撐起數據感知、無線傳輸和分布式計算的物聯網技術。創建無源物聯網解決方案的核心是“通過外界所獲得的能量必須超過設備運行本身所需的功耗”。所以現有的無源物聯網解決方案廠商主要有兩大努力方向，一是盡量降低芯片和模組的能耗，另一個則是增加環境能量的收集。
就在近日，無源物聯網在環境能量收集方面取得重要進展：1月16日，《自然通訊》上發表的一篇論文概述了一種新的制造方法，該方法使二維熱電材料的性能提高了四倍。作者表示，這一突破讓利用環境熱量為物聯網設備提供能量的夢想又近了一步。
熱能采集技術重磅突破
外界環境中存在很多能量來源，環境能量采集技術將其采集并轉化為可供傳感節點工作的能量，主要的能量采集技術包括：環境光能采集、振動能量采集、熱能采集和射頻能量采集。由(you)于環境本身的(de)(de)特點(dian)，各類能(neng)量采集(ji)技術(shu)獲得的(de)(de)能(neng)量密度(du)(du)差別很(hen)大，以(yi)下(xia)為典(dian)型場景(jing)下(xia)四類環境能(neng)量的(de)(de)密度(du)(du)：
典型場景下四類環境能量的密度
在我們日常生活中，各種機器和電子設備都能產生大量廢熱，所以熱能采集技術具有廣闊的市場前景，其原理是基于熱電材料的“熱電效應”。
德國(guo)物理學家托馬斯·約翰·塞貝克于1821年發現，將二(er)種(zhong)不(bu)同金(jin)屬各(ge)自(zi)的(de)二(er)端分別(bie)連接構成的(de)回路，如果兩(liang)種(zhong)金(jin)屬的(de)兩(liang)個(ge)結(jie)點處溫度不(bu)同時，指南針的(de)指針會發生偏(pian)轉，于是他認為溫差使(shi)金(jin)屬產生了磁(ci)場，這種(zhong)現象稱(cheng)為賽貝克效應。但是當時塞貝克(ke)并沒有發現金屬(shu)回路中的電(dian)流，后來，丹麥(mai)物理(li)學家漢(han)斯·奧(ao)斯特重新研究了這個(ge)現象(xiang)并稱(cheng)之(zhi)為“熱電(dian)效(xiao)應”。
熱電效應（圖源：搜狗(gou)百科）
熱電效(xiao)應能夠將溫差直接轉化成電壓，雖(sui)然(ran)所有材(cai)料(liao)(liao)都具(ju)有熱電效(xiao)應，但大多數材(cai)料(liao)(liao)的熱電效(xiao)應很(hen)不明(ming)顯，無(wu)法付諸實際(ji)應用。因(yin)此，尋找和制備高性(xing)能的固體熱電材(cai)料(liao)(liao)，持續提高材(cai)料(liao)(liao)的熱電效(xiao)率，是許多科(ke)學家研究的方向。
Hicks-Dresselhaus理論
為了(le)提(ti)高材料(liao)的(de)熱(re)(re)電效率，研究人員需(xu)要降低材料(liao)的(de)熱(re)(re)導率，同時提(ti)高其(qi)電導率和熱(re)(re)電勢（熱(re)(re)電勢是衡量每(mei)個(ge)單位溫差(cha)產生(sheng)(sheng)多少電壓(ya)的(de)指標(biao)）。但這存在很多挑戰，因為這些(xie)屬(shu)性(xing)是相互關聯(lian)的(de)，并且(qie)在某個(ge)范圍(wei)內，改進(jin)一個(ge)屬(shu)性(xing)會(hui)對其(qi)他屬(shu)性(xing)產生(sheng)(sheng)負面影響。
1993年，麻省理(li)工學院的(de)(de)Mildred Dresselhaus教授和她的(de)(de)博士(shi)生(sheng)L. D. Hicks曾預言(yan)二(er)維(wei)量(liang)子限(xian)域效應(ying)引起的(de)(de)態密(mi)度增強現象會極大地提高材料的(de)(de)熱電(dian)(dian)功率因(yin)子，這為(wei)(wei)獲得高性能(neng)的(de)(de)熱電(dian)(dian)材料提供了非常重要的(de)(de)理(li)論指導(dao)。這種(zhong)效應(ying)可以使(shi)用(yong)量(liang)子阱來完成，量(liang)子阱的(de)(de)特點是薄層半(ban)導(dao)體(ti)夾(jia)在(zai)(zai)(zai)具有不同帶隙的(de)(de)另一(yi)種(zhong)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)(de)兩層之間。這會產(chan)生(sheng)一(yi)個能(neng)量(liang)勢壘(lei)，將電(dian)(dian)子捕獲在(zai)(zai)(zai)薄薄的(de)(de)中(zhong)間層中(zhong)，電(dian)(dian)子只(zhi)能(neng)在(zai)(zai)(zai)二(er)維(wei)空(kong)間中(zhong)移(yi)動(dong)，從而導(dao)致一(yi)種(zhong)被稱為(wei)(wei)“量(liang)子限(xian)制”的(de)(de)現象，即電(dian)(dian)子只(zhi)能(neng)存在(zai)(zai)(zai)于特定的(de)(de)、離散的(de)(de)能(neng)級(ji)上，而不是像通常情況(kuang)那(nei)樣存在(zai)(zai)(zai)于連續體(ti)上。
在很長一段時間內，一直沒有實驗確切地證實這個理論預測。直到2018年，南京大學物理學院的梁世軍副研究員和繆峰教授開展實驗，同時與吉林大學張立軍教授理論課題組合作，利用二維材料厚度和載流子濃度可控的特性，首次證實了著名的Hicks-Dresselhaus理論預言。
新型(xing)量(liang)子阱形狀(zhuang)使性能(neng)提高四倍
在最新研究中，中村團隊通過調整量子阱的設計將Hicks-Dresselhaus理論中的想法更進一步。在概念層面上，典型的量子阱可以被認為具有正方形邊，這是因為能量勢壘突然從阱底部的低勢能變為兩側的非常高的勢能。而中村的團隊設計了三角形量子阱，其中能壘從阱底部逐漸向上傾斜。
中村(cun)表示，這種形狀顯著改變了阱(jing)內能(neng)級(ji)(ji)的(de)分布。雖(sui)然方形阱(jing)通常(chang)只有一兩個能(neng)級(ji)(ji)，但三(san)角(jiao)形阱(jing)可以有很多能(neng)級(ji)(ji)。他說，電子可用(yong)的(de)能(neng)級(ji)(ji)越(yue)多，電子遷移率就(jiu)越(yue)好，因(yin)此熱電勢就(jiu)越(yue)好。更重要的(de)是，三(san)角(jiao)阱(jing)中的(de)能(neng)級(ji)(ji)聚集在(zai)更高的(de)能(neng)量上(shang)，這進一步增加了熱電勢。
當然，形狀并不是唯一重要的因素——量子阱的中間層可以有多薄且仍然能實現量子限制因材料而異。材料的選擇也會影響可以擠入阱中的能級。中村的團隊選擇了砷化鎵，它具有構建量子阱的良好特性，而且也已用于商業用途，因此可以使用成熟的加工技術進行精確制造。
研究人員在論文中表明，他們創造出的這種材料，其熱電功率是次優二維材料的四倍。盡管這是一個令人印象深刻的飛躍，但在實際應用中，這可能意味著發電量僅為 100 微瓦左右。不過，這在很多場景中已經足以消除微電子設備的廢熱，為微型物聯網傳感器供電，而無需額外成本。
值得(de)強調的是，研究(jiu)人員正在使用(yong)的二維系(xi)統的復雜性和(he)成本(ben)意味著它(ta)們距離工業規模生產還有很長的路要走，但這依(yi)然對(dui)無源物聯網的未來具有重要意義。
無源物聯網悶聲發展
回(hui)顧2023年，無源物聯網(wang)在(zai)標(biao)準、技(ji)術、應用方面都(dou)持(chi)續悶聲(sheng)發展(zhan)。
標準層面
5G R18階段(duan)，相關機構就在(zai)無線接入網技術組立項了名為“Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN”的研究課(ke)題，隨著R18階段(duan)標準化的工作接近(jin)尾(wei)聲，這一課(ke)題最終形成了(le)編號為(wei)3GPP TR 38.848的技術(shu)(shu)報(bao)告(gao)，作為(wei)R18階段(duan)無線(xian)接入技術(shu)(shu)組無源物(wu)聯網(wang)的核心(xin)成果。
到了去年12月的時候，國際標準化組織3GPP RAN102次會議結束，會議上通過了多項研究項目（SI）立項，其中包括無源物聯網研究項目“Study on solutions for Ambient IoT (Internet of Things) in NR”，成為R19階段在無線接入層面上無源物聯網的核心議題，為5G網絡引入無源物聯網打下基礎。未來5G乃至6G網絡支持無源物聯網成為大勢所趨。
如(ru)果將(jiang)5G無源物聯網歸于3GPP陣營，那么非3GPP陣營的藍牙和WiFi無源物聯網也在加速發展。比如，藍牙聯盟在推動基于藍牙技術的無源物聯網標準化工作，知名無源物聯網廠商WilioT是其中的主力，在WilioT的帶動下，全球已出現多家借助藍牙實現無源物聯網應用的(de)廠商。同時(shi)，WiFi陣營(ying)的(de)知名(ming)國際化組織IEEE也在持續推進無源物聯(lian)網的(de)標準化工作。
技術層(ceng)面
除了前文提及的能量采集，許多廠商也在降低芯片和模組的能耗方面取得了突出成果。
去年2月，飛英思特科技正式對外宣告，研發出旗下首款環境微能量采集與管理芯片——FPM8100，該款芯片是國內無源物聯網領域的首款環境微能量采集與管理芯片。該款芯片主要以射頻能、溫差能、微光能、振動能等環境中常見能量為采集目標。可通過冷啟動電路(Cold Start)、能量選擇切換(Power Switch)、邏輯控制狀態機(State Machine)、儲能(neng)管(guan)(guan)理（Storage Management）等主要(yao)模塊將(jiang)前端(duan)無序(xu)、低品質輸(shu)入(ru)能(neng)量，高效地管(guan)(guan)理、利用、存儲起(qi)來，形成新的“環境(jing)電池”形態(tai)，以實現對后端(duan)電路的穩定輸(shu)出。
去年4月，麻省理工(gong)學(xue)院（MIT）的(de)研究(jiu)人(ren)員(yuan)宣(xuan)布研發(fa)了一款利(li)用太(tai)赫(he)(he)茲(zi)(zi)頻(pin)(pin)段的(de)新型(xing)芯(xin)片，該(gai)芯(xin)片作(zuo)為喚醒(xing)接收(shou)器(qi)，其功耗(hao)僅(jin)為幾(ji)微(wei)(wei)瓦(wa)。由于(yu)太(tai)赫(he)(he)茲(zi)(zi)頻(pin)(pin)段較(jiao)高，因此(ci)太(tai)赫(he)(he)茲(zi)(zi)調(diao)制過程較(jiao)為復雜(za)。MIT研究(jiu)人(ren)員(yuan)認為，通(tong)過混(hun)頻(pin)(pin)調(diao)制的(de)形式，會消耗(hao)大量的(de)功率，不(bu)(bu)利(li)于(yu)接收(shou)器(qi)低(di)功耗(hao)工(gong)作(zuo)。研究(jiu)人(ren)員(yuan)們(men)開發(fa)了一種零(ling)功耗(hao)檢測器(qi)，可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)(bu)需要混(hun)頻(pin)(pin)的(de)情況下(xia)檢測太(tai)赫(he)(he)茲(zi)(zi)電磁波，其探測器(qi)采用一對微(wei)(wei)型(xing)晶(jing)體管作(zuo)為天線(xian)，消耗(hao)的(de)功率非常小。在(zai)多種技術的(de)加持(chi)下(xia)，這一芯(xin)片的(de)工(gong)作(zuo)電壓為0.8V，功耗(hao)為2.88微(wei)(wei)瓦(wa)。
應用層面
隨(sui)著5G-A逐(zhu)步商用，無源(yuan)物聯得以注(zhu)入新的增長動能。
去年9月，華為與(yu)通(tong)信(xin)運營商、標(biao)簽式終端(duan)供(gong)應商以及(ji)平臺服務(wu)商共(gong)同推動無源物聯(lian)試(shi)點(dian)在(zai)(zai)江蘇(su)工業制造(zao)企業落(luo)地。技術人(ren)員計劃在(zai)(zai)該企業的(de)物料托盤(pan)追蹤、人(ren)員管理兩大(da)場(chang)景(jing)中，開展無源物聯(lian)試(shi)點(dian)。物料托盤(pan)貼上或植入無源物聯(lian)的(de)“標(biao)簽”，“標(biao)簽”與(yu)網絡(luo)連接后(hou)，平臺便(bian)可(ke)自動盤(pan)貨(huo)，比目前的(de)人(ren)工盤(pan)貨(huo)大(da)大(da)節約(yue)成本、提(ti)高(gao)效率。在(zai)(zai)人(ren)員佩戴的(de)工卡內置一(yi)個標(biao)簽式終端(duan)，可(ke)以加強(qiang)人(ren)員管理，如通(tong)過實(shi)時定位進(jin)行(xing)非(fei)安(an)(an)全區域預警。總之(zhi)，通(tong)過無源物聯(lian)技術可(ke)實(shi)現人(ren)、物、車等各類工業生(sheng)產要(yao)素的(de)透明可(ke)視，提(ti)高(gao)生(sheng)產管理效率和(he)安(an)(an)全系(xi)數。
浙江移動則在杭(hang)州亞運(yun)電(dian)競中心(xin)的(de)駕(jia)駛(shi)艙使用無源(yuan)物(wu)聯，標簽可結(jie)合各種環(huan)境(jing)傳感（溫濕(shi)度等(deng)），將(jiang)環(huan)境(jing)信(xin)息實(shi)時上報，實(shi)現對(dui)環(huan)境(jing)溫度和濕(shi)度的(de)實(shi)時監控；同時將(jiang)與亞運(yun)村(cun)圓通物(wu)流合作進行(xing)(xing)物(wu)流車輛和倉(cang)儲進行(xing)(xing)跟蹤和資產盤(pan)點(dian)。基(ji)于(yu)蜂窩網和無源(yuan)物(wu)聯標簽，通過電(dian)子圍欄、小區級位置識別觸(chu)發(fa)報警，實(shi)現車輛、電(dian)動自行(xing)(xing)車等(deng)貴重資產的(de)管理和防(fang)盜。
寫在最后
根據GSMA（全球移動通信系統協(xie)會）預測，2025年全球物聯網設備連接(jie)數可以(yi)達(da)到(dao)246億臺，2021-2025年年復合(he)增長率可達(da)12.8%。當百億級甚至更遙遠未來的千億級設備接(jie)入網絡，大量終端并不需要過高(gao)的電力支持以(yi)及傳輸性(xing)能，且對成本有較高(gao)要求(qiu)，這些都是無(wu)源物聯的應用(yong)場(chang)景。
隨著標準的日益完善和技術的不斷突破，無源物聯網將成為推動智慧城市、智(zhi)能制造(zao)、物(wu)流管理(li)等領域發展的重(zhong)要(yao)引擎(qing)，其低(di)成(cheng)本、低(di)功耗等特性，將為未(wei)來的物(wu)聯(lian)網世界帶來更廣闊的應用空間和更深遠(yuan)的影響。
參考資料：
Anomalous enhancement of thermoelectric power factor in multiple two-dimensional electron gas system，nature communications
IoT Devices Could Tap Ambient Heat for Power，IEEE Spectrum
張小涵, 趙俊青, 張弛. 基于微納環境能量收集技術的自驅動無線傳感系統[J]. 微納電子與智能制造
《熱電領域著名的Hicks-Dresselhaus理論預言首次在二維層狀材料中得到實驗證實》，X-MOL
《從“入門”到“頭禿”，一文搞懂“無源物聯網”》，物聯網智庫
《“移”起開新局丨從“新”出發 中國移動加快推進5G-A技術創新應用》，人民郵電報
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