供电是电子产品的重要组成部分，对于一些用于特殊场合的微型设备和电子产品而言(比如心脏起搏器等)，这个问题更是关键。科学家们正在研究，设法从芯片着手解决问题，虽然距商用还有距离，但决不能低估，也许其中一项就会彻底改变计算机和电子产品的设计、制造和使用。
电子产品自供电：
将动能转化为电能
电子设备能自己给自己供电，这并不全是梦想。如果佐治亚理工学院纳米科学研究小组的材料科学教授王中林能如愿以偿，也许真的很快就不用更换电池或给电池充电了。王教授在佐治亚理工学院的小组设计出了发电量足以为微型设备供电的微型发电机。这种纳米发电机(简称HONG)可通过比指甲还小的柔性芯片，产生2〜10伏的电压。
研究人员先是设计出一排微小的氧化锌(ZnO)纤维，即纳米线，每一根比人的头发还细。这一排排纤维嵌入到金属电极和塑料聚合物组成的多层结构中，从而形成柔性的纳米线“夹层”。在电子显微镜下，一股股纳米线就像是超小刷子的刷子毛，它们具有很神奇的特性：一旦被移动或受挤压，就会产生一股细微的电流。把无数纳米线放在一起，就能获得足够的电流为设备供电，从而不需要使用外部电源。
到目前为止，HONG设备已用于点亮LED灯、为计算器的液晶屏和实验室的原始电子设备供电。这仅仅是个开始，王教授的小组还在致力于研制可以给无线设备供电的HONG，他们目前正在研究的项目是研制用途广泛的自供电环境传感器，其中一个是研制可以嵌入到桥梁中的传感器。
由于外面裹着混凝土，更换传感器里面的电池并非易事，而如果里面有HONG发电机，桥梁上开过的汽车或卡车引起的震动可以为传感器供电。这个项目的最终目的是，每隔半小时让传感器(和桥梁中的众多传感器)将有关数据发送到接收站以便分析。如果传感器显示桥梁面临倒塌的危险，就可以封桥，防止发生灾难，从而避免2007年明尼阿波利斯的密西西比河大桥发生的倒塌事件。
虽然纳米发电机不大可能产生足够的电力，为像计算机或电视机这样的大型电子设备供电，但是众多小设备最终有望完全或部分由HONG芯片来供电。预计2013年之前有望出现自供电的手机、数字音乐播放器，甚至只要通过击键就能供电的无线键盘。
王教授表示，给设备加装纳米发电机的成本会很低，因为氧化锌是一种常见材料，而且，HONG用现有的半导体工艺技术就能制造，不过需要对工艺技术做一些改进。另外，HONG芯片可以部分或完全不需要电池，因而有望降低某些产品的成本——电池是任何手机或音乐播放器中成本最高的部件之一。
王教授研究小组的成员还在试验不大常见、产生电量可能更大的压电化合物，如锆钛酸铅，但工艺难度可能更大。
结论就是，对于我们身边的许多电子设备来说，交流电电源插座和充电器横行的日子也许到头了。王教授说：“运动无处不在，等着被我们用来供电，我们要做的就是把它利用起来。”
无线供电：
来自空中的电力
100年前，电气天才尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)对于今天我们习以为常的许多技术从事了开创性的研究开发工作，从X射线、交流电、高效电动机和发电机到无线电设备的前身，不一而足，但是他用无线电波在空中输送电力、为各种电气设备供电的尝试却惨遭失败。
如今，一家名为Powercast的公司正在做特斯拉当初梦想的事：通过无线电波来输电。该公司的市场营销和业务开发副总裁Harry Ostaffe说：“我们实际上继承了特斯拉未竟的事业。在更新电池成本高昂或难度很大的场合，我们通过无线输电来为设备供电。”
这项名为能量收集的技术使用该公司研发的书本大小的发射机，以915MHz的射频将1瓦或3瓦的电能送到空中。在接收端，该公司设计的芯片能从空中收集能量，然后将射频能量转换成直流电。
眼下，Powercast有两种芯片：一种芯片在近距离下效果最好，最多可输出4.2伏的持续电力，直接为功耗很小的设备供电或给电池充电。另一种芯片可以用在离发射机较远的地方，产生高达5.25伏的间歇性脉冲，用于直接为低功耗设备供电。
这些芯片可以从空中收集小量的可用能量，从微瓦到毫瓦不等。据Ostaffe介绍，虽然这么小的能量不足以满足MP3播放器或手机的需要，但是对于像Kindle电子书阅读器这些耗电量很小的设备来说绰绰有余。 目前，Powercast正致力于为负责监控的各种传感器供电：从炼油厂的温度和压力传感器到家庭和办公室的烟雾报警器，它们都可以用Powercast的技术实现无线供电。
该公司的最终目标是研发出能够从周围能量源(如Wi-Fi信号)收集可用能量的技术。而现在，它的系统需要发射机才能工作，这意味着它受到距离的限制。
Ostaffe开玩笑地说：“我们的头号敌人是平方反比定律。”这个基本物理定律描述了从点源(如灯光，向外辐射的能量如何随着距离减弱。如果你离发射机比较远，接收器所能收集的能量就会迅速减弱。
他说：“眼下，我们的有效距离是大约40〜45英尺。”这个距离足以覆盖房子的一部分或大楼的几间办公室。如果是常见的办公场地，每4万平方英尺的面积可能需要10〜15台发射机，架设在大楼周围，而天线对着中央。
Powercast并不是惟一一家在开发射频量能转换成直流电技术的公司，日本电业工作公司也一直在研发一种依靠特殊整流天线的类似系统。不过，Powercast认为比竞争对手领先一步，表示其芯片已准备好集成到产品中。
Powercast希望到2012年，可以推出永不需要更换电池的家用烟雾探测器。该公司还一直在致力于缩小发射机的尺寸，以供家庭使用。Ostaffe设想到时能做出如同夜间照明灯大小的微型发射机，电力足够强，可以为一户中等大小的家庭里面的烟雾报警器供电。
不过，无线供电技术要进入主流应用阶段还有待时日。虽然Powercast已准备好了设计和芯片，但需要厂商来生产实际产品，并销售给消费者或公司用户。
自愈合电池：
实现电池实时修复
众所周知，手机、平板电脑和笔记本电脑用了几年后，电池会损坏，必须更换;或者设备摔过后，电池短路，那样就必须更换了。而一旦设备本身不允许用户自己更换电池(如iPhone、iPad及其他平板电脑)，你只好把整个设备送回到厂商去更换电池，费事又费钱。
伊利诺伊大学厄巴纳尚佩恩分校贝克曼先进科技研究所的科学家们有一个更好的主意，以Scott White教授为首的研究人员的办法是让电池自我修复，而用户可能根本不知道电池有啥问题。
锂离子电池放电的原理是，将电子从锂基阴极移动到电池芯的阳极。电源给电池充电时，电子的移动过程恰好相反。使用一段时间后因老化或者如果电池突然受到撞击，电池芯就会受损，导致致命的短路。这时候，你就只好买一块新电池了。White的解决办法是，给电池的阴极涂上无数微球体，里面充满了黏糊糊的铟化镓。关键在于，这些小球体受挤压(如设备摔地时)或温度升高(如电池短路时)，就会裂开来。
White解释：“我们可以通过机械力、温度或酸碱度来触发小球体。一旦出现受损，小球体会释放里面的东西，这时就会出现愈合反应。”
铟化镓会迅速流入填补空隙，以修复短路，电池可以最快在40微秒内恢复如初。在大多数情况下，电池的控制电子部件在这么短时间内甚至来不及关闭电池。White补充说：“我们可以恢复导电性，而且是瞬间完成的。”
眼下，小球体方法只能用一次，要是设备再摔一次，那就没救了，但White表示，其小组正在设法采用几种不同的材料，以便可以对电池多次修复。笔记本电脑电池每年大约充电100〜150次，一般3年后，就需要更换了，使用贝克曼先进科技研究所的技术，以后有望看到可以用10年的电脑电池。
自愈合电池何时会出现在市面上?对此White持谨慎态度，他表示小球体方法仍处于实验室阶段。不过，他说，给电池加装小球体不会干扰电池的制造，也不会大幅增加电池芯的成本。
他补充说，从长远来看，这种方法可以用来修复各种各样的电子产品，甚至是电动汽车的电池，当我们还不知道电池已坏时就已得到了顺利修复。White的下一个目标是支撑电力网正常运转的电源变压器和电容器。如果他的小组取得成功，有朝一日将会彻底告别电源故障。
作者：清水 编译 来源：计算机世界 2011年41期
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