作者：Sophia
過去多年間，降低終端節點功耗一直是物聯網核心研究方向之一，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。由于環境本身的特點，各類能量采集技術獲得的能量密度差別很大，以下為典型場景下四類環境能量的密度：
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”。
德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克于1821年發現，將二種不同金屬各自的二端分別連接構成的回路，如果兩種金屬的兩個結點處溫度不同時，指南針的指針會發生偏轉，于是他認為溫差使金屬產生了磁場，這種現象稱為賽貝克效應。但是當時塞貝克并沒有發現金屬回路中的電流，后來，丹麥物理學家漢斯·奧斯特重新研究了這個現象并稱之為“熱電效應”。
熱電效應（圖源：搜狗百科）
熱電效應能夠將溫差直接轉化成電壓，雖然所有材料都具有熱電效應，但大多數材料的熱電效應很不明顯，無法付諸實際應用。因此，尋找和制備高性能的固體熱電材料，持續提高材料的熱電效率，是許多科學家研究的方向。
Hicks-Dresselhaus理論
為了提高材料的熱電效率，研究人員需要降低材料的熱導率，同時提高其電導率和熱電勢（熱電勢是衡量每個單位溫差產生多少電壓的指標）。但這存在很多挑戰，因為這些屬性是相互關聯的，并且在某個范圍內，改進一個屬性會對其他屬性產生負面影響。
1993年，麻省理工學院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾預言二維量子限域效應引起的態密度增強現象會極大地提高材料的熱電功率因子，這為獲得高性能的熱電材料提供了非常重要的理論指導。這種效應可以使用量子阱來完成，量子阱的特點是薄層半導體夾在具有不同帶隙的另一種半導體的兩層之間。這會產生一個能量勢壘，將電子捕獲在薄薄的中間層中，電子只能在二維空間中移動，從而導致一種被稱為“量子限制”的現象，即電子只能存在于特定的、離散的能級上，而不是像通常情況那樣存在于連續體上。
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。
新型量子阱形狀使性能提高四倍
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。
中村表示，這種形狀顯著改變了阱內能級的分布。雖然方形阱通常只有一兩個能級，但三角形阱可以有很多能級。他說，電子可用的能級越多，電子遷移率就越好，因此熱電勢就越好。更重要的是，三角阱中的能級聚集在更高的能量上，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。
值得強調的是，研究人員正在使用的二維系統的復雜性和成本意味著它們距離工業規模生產還有很長的路要走，但這依然對無源物聯網的未來具有重要意義。
無源物聯網悶聲發展
回顧2023年，無源物聯網在標準、技術、應用方面都持續悶聲發展。
標準層面
5G R18階段，相關機構就在無線接入網技術組立項了名為“Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN”的研究課題，隨著R18階段標準化的工作接近尾聲，這一課題最終形成了編號為3GPP TR 38.848的技術報告，作為R18階段無線接入技術組無源物聯網的核心成果。
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，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廠商。同時，WiFi陣營的知名國際化組織IEEE也在持續推進無源物聯網的標準化工作。
技術層面
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)、儲能管理（Storage Management）等主要模塊將前端無序、低品質輸入能量，高效地管理、利用、存儲起來，形成新的“環境電池”形態，以實現對后端電路的穩定輸出。
去年4月，麻省理工學院（MIT）的研究人員宣布研發了一款利用太赫茲頻段的新型芯片，該芯片作為喚醒接收器，其功耗僅為幾微瓦。由于太赫茲頻段較高，因此太赫茲調制過程較為復雜。MIT研究人員認為，通過混頻調制的形式，會消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人員們開發了一種零功耗檢測器，可以在不需要混頻的情況下檢測太赫茲電磁波，其探測器采用一對微型晶體管作為天線，消耗的功率非常小。在多種技術的加持下，這一芯片的工作電壓為0.8V，功耗為2.88微瓦。
應用層面
隨著5G-A逐步商用，無源物聯得以注入新的增長動能。
去年9月，華為與通信運營商、標簽式終端供應商以及平臺服務商共同推動無源物聯試點在江蘇工業制造企業落地。技術人員計劃在該企業的物料托盤追蹤、人員管理兩大場景中，開展無源物聯試點。物料托盤貼上或植入無源物聯的“標簽”，“標簽”與網絡連接后，平臺便可自動盤貨，比目前的人工盤貨大大節約成本、提高效率。在人員佩戴的工卡內置一個標簽式終端，可以加強人員管理，如通過實時定位進行非安全區域預警。總之，通過無源物聯技術可實現人、物、車等各類工業生產要素的透明可視，提高生產管理效率和安全系數。
浙江移動則在杭州亞運電競中心的駕駛艙使用無源物聯，標簽可結合各種環境傳感（溫濕度等），將環境信息實時上報，實現對環境溫度和濕度的實時監控；同時將與亞運村圓通物流合作進行物流車輛和倉儲進行跟蹤和資產盤點。基于蜂窩網和無源物聯標簽，通過電子圍欄、小區級位置識別觸發報警，實現車輛、電動自行車等貴重資產的管理和防盜。
寫在最后
根據GSMA（全球移動通信系統協會）預測，2025年全球物聯網設備連接數可以達到246億臺，2021-2025年年復合增長率可達12.8%。當百億級甚至更遙遠未來的千億級設備接入網絡，大量終端并不需要過高的電力支持以及傳輸性能，且對成本有較高要求，這些都是無源物聯的應用場景。
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、物流管理等領域發展的重要引擎，其低成本、低功耗等特性，將為未來的物聯網世界帶來更廣闊的應用空間和更深遠的影響。
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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