Forscher der University of Massachusetts Amherst (UMass Amherst) nutzen jetzt den menschlichen Körper, um überschüssige Energie für tragbare Geräte zu gewinnen. Was sich wie Science-Fiction anhört, ist die Aussicht auf die drahtlose 6G-Technologie, die den ultimativen Schritt zur Verschmelzung von Technologie, Medizin und dem menschlichen Körper darstellt. Die jüngste Forschung wurde von Jie Xiong, Professor für Informations- und Computerwissenschaften an der UMass Amherst, geleitet.
Während die 5G-Mobilfunktechnologie bereits alltäglich geworden ist, blicken biomedizinische Forscher auf die Zukunftsaussichten von 6G. Bevor wir auf die jüngsten Durchbrüche an der UMass Amherst eingehen, ein kurzer Überblick über 6G.
6G
Das Mobilfunksystem der „sechsten Generation“ ist ein derzeit in der Entwicklung befindlicher Standard für drahtlose Kommunikationstechnologien, der zellulare Datennetze unterstützen wird. Als geplanter Nachfolger von 5G wird es wahrscheinlich schneller sein und zellulare Breitbandnetze umfassen, die in Zellen oder kleinere Servicebereiche unterteilt sind. Zahlreiche Unternehmen, Forschungszentren und sogar Regierungsstellen sind daran beteiligt, von Apple und Ericsson bis zu Huawei, LG und Nokia.
Mit einer geplanten Vielfalt, die heute noch nicht möglich ist, werden unzählige Anwendungen möglich sein, von virtueller und erweiterter Realität bis zu allgegenwärtiger Sofortkommunikation, allgegenwärtiger Intelligenz und dem Internet der Dinge. An dieser Schnittstelle treffen biomedizinische Wearables, Netze und Rechenleistung zusammen, um die Verschmelzung von Menschen, Anwendungen und Netzen zu ermöglichen und die Gesundheit zu verbessern.
Hintergrund
Zuvor hatten Xiong und der Erstautor Minhao Cui, ein Doktorand der Informations- und Computerwissenschaften an der UMass Amherst, gezeigt, dass es bei VLC-Systemen erhebliche Energieverluste gibt, da die LEDs auch RF-Seitenkanalsignale oder Radiowellen aussenden. Könnte man diese entweichende HF-Energie auffangen, so könnte man sie nutzen.
UMass Amherst Durchbruch – VLCs Versprechen – nächste Schritte
Die sogenannte Visible Light Communication ist eine drahtlose Version der Glasfasertechnik, bei der ein Lichtblitz zur Informationsübertragung genutzt wird. Anfang dieses Jahres erfand das Team der UMass Amherst einen kostengünstigen, innovativen Ansatz, um die überschüssige Energie von VLC zu nutzen, indem es den menschlichen Körper als Antenne verwendete.
Auf diese Weise wird die überschüssige Energie wiederverwertbar und kann eine Reihe von tragbaren Geräten oder vielleicht sogar Elektronik betreiben, berichtet die Universität.
Laut dem Hauptautor Jie Xiong:
Anstatt Funksignale zu verwenden, um Informationen drahtlos zu senden, wird das Licht von LEDs genutzt, die sich bis zu einer Million Mal pro Sekunde ein- und ausschalten können. Die Universität berichtet, dass ein Teil des Reizes von VLC darin besteht, dass die Infrastruktur bereits überall vorhanden ist – unsere Häuser, Fahrzeuge, Straßenlaternen und Büros werden alle von LED-Lampen beleuchtet, die auch Daten übertragen könnten. Alles, was eine Kamera hat, wie unsere Smartphones, Tablets oder Laptops, könnte der Empfänger sein.
In ihrer Studie bestand die erste Aufgabe des Teams darin, eine Antenne aus aufgewickeltem Kupferdraht zu entwerfen, um die durchgesickerte Hochfrequenz aufzufangen, was ihnen auch gelang. Aber wie kann man die Energieerfassung maximieren?
Das Team experimentierte mit verschiedenen Alltagsgegenständen, um die gewonnene Energie zu verstärken, und entdeckte, dass der menschliche Körper eines der besten Materialien ist. Credit: Cui et al., 10.1145/3560905.3568526
Wie die UMass Amherst berichtet, experimentierte die Gruppe mit verschiedenen Details des Designs, von der Dicke des Drahtes bis hin zur Anzahl der Windungen, aber sie stellten auch fest, dass die Effizienz der Antenne davon abhing, was die Antenne berührte. Sie versuchten, die Spule auf Plastik, Pappe, Holz und Stahl zu legen und sie mit unterschiedlich dicken Wänden, ein- und ausgeschalteten Telefonen und Laptops in Berührung zu bringen. Und dann kam Cui auf die Idee zu untersuchen, was passiert, wenn die Spule mit einem menschlichen Körper in Berührung kommt.
Unterschiedliche Spulenkonstruktionen beeinflussen die Menge der geernteten Energie. Kredit: Cui et al., 10.1145/3560905.3568526
Ein Durchbruch: Das Ergebnis führte zu der Erkenntnis, dass der menschliche Körper das beste Medium ist, um die Fähigkeit der Spule, ausgetretene HF-Energie zu sammeln, zu verstärken – bis zu zehnmal mehr als die bloße Spule allein.
Nach vielen Experimenten stellte das Team „Bracelet+“ her, eine einfache Spule aus Kupferdraht, die als Armband am oberen Unterarm getragen wird. Obwohl das Design auch als Ring, Gürtel, Fußkette oder Halskette getragen werden kann, schien das Armband die richtige Balance zwischen Energiegewinnung und Tragbarkeit zu bieten.
„Das Design ist billig – weniger als fünfzig Cent“, bemerken die Autoren, deren Arbeit mit dem prestigeträchtigen Best Paper Award der Association for Computing Machinery’s Conference on Embedded Networked Sensor Systems ausgezeichnet wurde. „Aber Bracelet+ kann bis zu Mikro-Watt erreichen, genug, um viele Sensoren zu unterstützen, wie z. B. Sensoren zur Überwachung der Gesundheit am Körper, die aufgrund ihrer niedrigen Abtastfrequenz und der langen Dauer des Ruhezustands nur wenig Strom benötigen.“
Was kommt als Nächstes?
Laut Xiong von der UMass Amherst versucht das Team, „…überschüssige Energie aus allen möglichen Quellen zu gewinnen, um zukünftige Technologien anzutreiben.“
