作者：Sophia
過去多年間(jian)，降低終端節點功耗一直(zhi)是(shi)物(wu)聯網核心(xin)研究方向之一，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。由于環(huan)境(jing)本身的特點，各類能(neng)量采集技術(shu)獲得(de)的能(neng)量密度(du)差別很大，以下為典(dian)型場(chang)景下四類環(huan)境(jing)能(neng)量的密度(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”。
德國物理(li)學家托馬斯·約翰(han)·塞貝克于1821年(nian)發現，將二(er)種不(bu)同(tong)金屬各自的(de)二(er)端分別(bie)連接構成的(de)回路(lu)，如果兩(liang)種金屬的(de)兩(liang)個結點(dian)處溫度不(bu)同(tong)時，指南針的(de)指針會發生(sheng)偏轉，于是他認為(wei)(wei)溫差(cha)使金屬產生(sheng)了磁(ci)場，這種現象(xiang)稱為(wei)(wei)賽貝克效應。但(dan)是當時塞(sai)貝克并(bing)沒有發現(xian)金屬回(hui)路中(zhong)的電流，后來，丹麥物理(li)學家漢斯(si)(si)·奧斯(si)(si)特(te)重新研究(jiu)了這個(ge)現(xian)象并(bing)稱之為“熱電效應”。
熱(re)電(dian)效應（圖(tu)源：搜狗百科(ke)）
熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)能(neng)夠將溫差直接轉化成電(dian)(dian)壓，雖然所有材料(liao)都具有熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)，但(dan)大多數材料(liao)的(de)(de)熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)效(xiao)應(ying)很(hen)不明(ming)顯(xian)，無法付(fu)諸(zhu)實際應(ying)用(yong)。因此(ci)，尋(xun)找和(he)制(zhi)備高(gao)性能(neng)的(de)(de)固(gu)體熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)材料(liao)，持續提高(gao)材料(liao)的(de)(de)熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)效(xiao)率，是(shi)許多科學家研究的(de)(de)方向。
Hicks-Dresselhaus理論
為了提高材料的(de)熱(re)電(dian)效率(lv)，研究人員需要降低材料的(de)熱(re)導(dao)率(lv)，同時提高其電(dian)導(dao)率(lv)和熱(re)電(dian)勢(shi)（熱(re)電(dian)勢(shi)是衡量每個(ge)單位溫(wen)差產生多(duo)少電(dian)壓的(de)指標）。但(dan)這存在很多(duo)挑戰(zhan)，因為這些(xie)屬(shu)性(xing)是相互關聯(lian)的(de)，并(bing)且在某個(ge)范圍內，改進一個(ge)屬(shu)性(xing)會對(dui)其他屬(shu)性(xing)產生負面影響。
1993年，麻(ma)省理工學院的(de)Mildred Dresselhaus教授和她的(de)博士生L. D. Hicks曾預言(yan)二(er)維(wei)量(liang)子(zi)(zi)限域(yu)效(xiao)應(ying)引起的(de)態密度增強現象會極大(da)地提(ti)高(gao)材(cai)料的(de)熱電功(gong)率因子(zi)(zi)，這(zhe)為(wei)獲得高(gao)性能(neng)(neng)的(de)熱電材(cai)料提(ti)供了非常重(zhong)要的(de)理論指導。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)可以(yi)使用量(liang)子(zi)(zi)阱來完成(cheng)，量(liang)子(zi)(zi)阱的(de)特點是(shi)薄層半(ban)(ban)導體夾在(zai)(zai)具有不同(tong)帶隙的(de)另(ling)一種(zhong)半(ban)(ban)導體的(de)兩(liang)層之間。這(zhe)會產(chan)生一個(ge)能(neng)(neng)量(liang)勢(shi)壘，將電子(zi)(zi)捕(bu)獲在(zai)(zai)薄薄的(de)中(zhong)(zhong)間層中(zhong)(zhong)，電子(zi)(zi)只能(neng)(neng)在(zai)(zai)二(er)維(wei)空間中(zhong)(zhong)移動，從而導致一種(zhong)被稱為(wei)“量(liang)子(zi)(zi)限制”的(de)現象，即電子(zi)(zi)只能(neng)(neng)存(cun)在(zai)(zai)于(yu)特定的(de)、離散(san)的(de)能(neng)(neng)級(ji)上，而不是(shi)像通常情況那(nei)樣存(cun)在(zai)(zai)于(yu)連(lian)續(xu)體上。
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。
新型量(liang)子阱形狀使性(xing)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(zhong)村表示，這種形(xing)狀顯(xian)著改變(bian)了阱(jing)內能級(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)分布(bu)。雖然方形(xing)阱(jing)通常只(zhi)有一兩個(ge)能級(ji)(ji)(ji)(ji)，但(dan)三(san)角形(xing)阱(jing)可以有很多能級(ji)(ji)(ji)(ji)。他說(shuo)，電子可用的(de)能級(ji)(ji)(ji)(ji)越多，電子遷(qian)移(yi)率就(jiu)越好(hao)(hao)，因此(ci)熱(re)電勢就(jiu)越好(hao)(hao)。更重要(yao)的(de)是，三(san)角阱(jing)中(zhong)的(de)能級(ji)(ji)(ji)(ji)聚集在更高的(de)能量(liang)上，這進一步增加了熱(re)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。
值得強調的是，研究人(ren)員正在使用的二維系統的復(fu)雜性(xing)和成本意味著它們距(ju)離工(gong)業規模生產還有很長(chang)的路要走，但(dan)這依然對(dui)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網的未來具有重要意義。
無源物聯網悶聲發展
回顧2023年，無源物聯網在標(biao)準(zhun)、技術、應(ying)用方(fang)面(mian)都持續(xu)悶聲發展(zhan)。
標準層面
5G R18階段，相關機構就在無(wu)線(xian)接入網技(ji)術(shu)組立項了名為“Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN”的(de)研究課(ke)(ke)題，隨著R18階段標準化的(de)工(gong)作接近尾(wei)聲(sheng)，這一課(ke)(ke)題最終形成了編號為(wei)3GPP TR 38.848的(de)技(ji)術報告(gao)，作為(wei)R18階段無線接入技(ji)術組(zu)無源(yuan)物(wu)聯(lian)網的(de)核(he)心成果。
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。
如果將5G無源物聯網歸于3GPP陣營(ying)，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(chang)商。同時(shi)，WiFi陣營的(de)知名(ming)國際化組織IEEE也在(zai)持續推進無源(yuan)物(wu)聯網的(de)標準化工(gong)作。
技術層面(mian)
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)、儲能管理（Storage Management）等主要模塊將前(qian)端無序(xu)、低品質輸入(ru)能量，高(gao)效地(di)管理、利(li)用(yong)、存儲起來，形(xing)成新的(de)“環境電池”形(xing)態，以實現(xian)對后(hou)端電路的(de)穩定(ding)輸出。
去年4月，麻省理工(gong)學院（MIT）的(de)研(yan)究人(ren)(ren)員(yuan)宣布研(yan)發(fa)了一款利(li)用太(tai)赫(he)茲(zi)頻(pin)(pin)段的(de)新型芯片，該芯片作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)喚醒(xing)接收器，其功(gong)(gong)耗(hao)(hao)僅為(wei)(wei)幾微(wei)瓦。由于太(tai)赫(he)茲(zi)頻(pin)(pin)段較高，因此太(tai)赫(he)茲(zi)調制過(guo)程(cheng)較為(wei)(wei)復(fu)雜(za)。MIT研(yan)究人(ren)(ren)員(yuan)認為(wei)(wei)，通(tong)過(guo)混(hun)頻(pin)(pin)調制的(de)形式，會(hui)消(xiao)耗(hao)(hao)大量的(de)功(gong)(gong)率，不利(li)于接收器低功(gong)(gong)耗(hao)(hao)工(gong)作(zuo)(zuo)。研(yan)究人(ren)(ren)員(yuan)們開發(fa)了一種零功(gong)(gong)耗(hao)(hao)檢測器，可以在不需要混(hun)頻(pin)(pin)的(de)情況下檢測太(tai)赫(he)茲(zi)電(dian)(dian)磁波，其探測器采(cai)用一對微(wei)型晶體(ti)管作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)天線，消(xiao)耗(hao)(hao)的(de)功(gong)(gong)率非常小。在多種技術(shu)的(de)加持(chi)下，這一芯片的(de)工(gong)作(zuo)(zuo)電(dian)(dian)壓為(wei)(wei)0.8V，功(gong)(gong)耗(hao)(hao)為(wei)(wei)2.88微(wei)瓦。
應用層面
隨著(zhu)5G-A逐步商用，無源物聯得以注(zhu)入新的增長動能。
去年9月(yue)，華(hua)為與通(tong)信運(yun)營商(shang)、標(biao)(biao)(biao)簽(qian)式終(zhong)(zhong)端(duan)供應商(shang)以及平臺服務商(shang)共同推動無源(yuan)物(wu)聯試(shi)點(dian)在(zai)江蘇工(gong)(gong)業制造(zao)企(qi)業落地(di)。技(ji)(ji)術人(ren)(ren)員(yuan)計劃在(zai)該企(qi)業的(de)(de)物(wu)料托盤追(zhui)蹤、人(ren)(ren)員(yuan)管(guan)理兩大(da)場景(jing)中，開展(zhan)無源(yuan)物(wu)聯試(shi)點(dian)。物(wu)料托盤貼上或植入無源(yuan)物(wu)聯的(de)(de)“標(biao)(biao)(biao)簽(qian)”，“標(biao)(biao)(biao)簽(qian)”與網絡連接后，平臺便可(ke)(ke)自動盤貨，比目前的(de)(de)人(ren)(ren)工(gong)(gong)盤貨大(da)大(da)節約(yue)成(cheng)本、提高(gao)效(xiao)率。在(zai)人(ren)(ren)員(yuan)佩(pei)戴(dai)的(de)(de)工(gong)(gong)卡內置一個標(biao)(biao)(biao)簽(qian)式終(zhong)(zhong)端(duan)，可(ke)(ke)以加強人(ren)(ren)員(yuan)管(guan)理，如通(tong)過實時(shi)定位進行非安全(quan)區域預警(jing)。總之，通(tong)過無源(yuan)物(wu)聯技(ji)(ji)術可(ke)(ke)實現(xian)人(ren)(ren)、物(wu)、車等各類(lei)工(gong)(gong)業生產要素的(de)(de)透明(ming)可(ke)(ke)視，提高(gao)生產管(guan)理效(xiao)率和(he)安全(quan)系數。
浙江移動則在(zai)杭州(zhou)亞運電(dian)競中心(xin)的駕駛艙使用無源物聯(lian)，標(biao)簽(qian)可(ke)結合各種(zhong)環境(jing)傳感（溫(wen)濕度等(deng)），將環境(jing)信息實時上(shang)報(bao)，實現對環境(jing)溫(wen)度和(he)濕度的實時監控；同時將與亞運村圓通(tong)物流合作(zuo)進(jin)行(xing)(xing)物流車輛和(he)倉儲進(jin)行(xing)(xing)跟蹤和(he)資產盤點。基(ji)于蜂窩網和(he)無源物聯(lian)標(biao)簽(qian)，通(tong)過(guo)電(dian)子圍欄、小區級(ji)位(wei)置(zhi)識別觸發(fa)報(bao)警，實現車輛、電(dian)動自(zi)行(xing)(xing)車等(deng)貴重資產的管理和(he)防盜。
寫在最后
根據GSMA（全球移動通(tong)信系統協會(hui)）預測，2025年(nian)全球物聯網設備(bei)連(lian)接數可以達到246億臺，2021-2025年(nian)年(nian)復合(he)增(zeng)長率可達12.8%。當(dang)百億級甚至更(geng)遙(yao)遠(yuan)未來的(de)千億級設備(bei)接入網絡，大量(liang)終端并不需要(yao)過高的(de)電力支持以及傳輸性能，且(qie)對成(cheng)本有較高要(yao)求，這些(xie)都(dou)是無源(yuan)物聯的(de)應用場景。
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、智能制造、物(wu)流管(guan)理等領域發展的(de)重要(yao)引擎，其(qi)低(di)成本、低(di)功耗等特(te)性(xing)，將為未來(lai)的(de)物(wu)聯網(wang)世界帶來(lai)更(geng)廣闊的(de)應用空間和更(geng)深遠的(de)影響(xiang)。
參(can)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
文章精選(xuan)
