如果在不久的將來(lái)，當(dāng)您駕駛著電動(dòng)汽車(chē)在公路上飛馳，無(wú)論是直道還是彎道，無(wú)論是隧道還是橋梁，電動(dòng)車(chē)一邊行駛就能一邊快速給電池補(bǔ)充電能。之前的顧慮還會(huì)存在嗎？這不是天方夜譚，來(lái)自清華大學(xué)汽車(chē)工程系的本科生戴亞奇和同學(xué)們研發(fā)出的“自由”技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)上述情景。這項(xiàng)技術(shù)獲得了清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。

發(fā)明緣起：研究未來(lái)汽車(chē)發(fā)現(xiàn)瓶頸

2011年，戴亞奇進(jìn)入清華大學(xué)汽車(chē)工程系就讀。從小就對(duì)汽車(chē)有極大興趣的他在學(xué)校的課堂里如饑似渴地學(xué)習(xí)，很快就覺(jué)得“吃不飽”了，“我想按自己的興趣再深入一些研究汽車(chē)。”他說(shuō)。2013年10月，他找到了一群志同道合的人，加入了“未來(lái)汽車(chē)”興趣團(tuán)隊(duì)。

這是一個(gè)神奇的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)里的成員來(lái)自清華各院系。他們大膽想象，對(duì)汽車(chē)的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入探究。有人在研究可以轉(zhuǎn)動(dòng)的汽車(chē)底盤(pán)，有人在鉆研更具流線型的車(chē)身外觀，戴亞奇則找到了自己的興趣所在——無(wú)線充電技術(shù)。

他告訴記者，無(wú)線充電源于無(wú)線電力傳輸技術(shù)，最基礎(chǔ)的原理就是19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，即閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，“也就是說(shuō)電磁場(chǎng)其實(shí)可以傳遞電量。”2006年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了磁諧振式遠(yuǎn)距無(wú)線充電。目前，諾基亞、三星、英特爾等知名企業(yè)已經(jīng)紛紛推出了自己的無(wú)線充電產(chǎn)品及研發(fā)計(jì)劃。

在研究中戴亞奇發(fā)現(xiàn)，由于磁場(chǎng)方向難以確定，目前無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用都有一個(gè)通病，就是充電線圈在接收能量時(shí)必須始終放在發(fā)射線圈正上方并固定角度使二者相對(duì)。一旦線圈位置或角度偏離，則充電的效率和功率都急劇下降。這個(gè)被動(dòng)接受能量的“瓶頸”使得無(wú)線充電在未來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用都將遭到很大的影響，“我找遍了專(zhuān)利、學(xué)術(shù)資料，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可以攻克這一難題的技術(shù)。”

戴亞奇決心攻克這一難題。

設(shè)計(jì)過(guò)程：發(fā)現(xiàn)“三線圈垂直測(cè)量接收法”

當(dāng)年年底，他和其他幾名同學(xué)開(kāi)始了“自由角度無(wú)線充電”的技術(shù)研究。他們首先想到的辦法是找到能夠測(cè)交流電磁場(chǎng)方向的裝置，找出其中的參數(shù)，再找到破解之法。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，根本就找不到這樣的裝置。研究一度陷入困境。

“后來(lái)我們決定干脆自己動(dòng)手‘白手起家’，設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)方向并接收能量的裝置。”戴亞奇說(shuō)。于是整個(gè)四人團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)入攻堅(jiān)階段。只要沒(méi)有課，他們就泡在綜合服務(wù)樓內(nèi)的一間約10平方米的實(shí)驗(yàn)室里，“有時(shí)做實(shí)驗(yàn)晚了，就在那里過(guò)夜。”當(dāng)年寒假，團(tuán)隊(duì)成員“晚走早回”，只休息了半個(gè)月。

在一次集體頭腦風(fēng)暴中，戴亞奇靈感迸發(fā)，他想到了能否利用三個(gè)電磁線圈相互垂直進(jìn)行測(cè)量和接收的辦法。和同學(xué)進(jìn)行交流后，他們很快在實(shí)驗(yàn)室搭起了臺(tái)架，進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果真的成功了。 “當(dāng)時(shí)的那種興奮絕對(duì)要超過(guò)考試拿100分。”戴亞奇說(shuō)，為了保護(hù)辛苦得來(lái)的科研成果，他們立即著手為這一磁場(chǎng)方向測(cè)量方法和裝置申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利。

效果展示：半米距離“點(diǎn)亮”二極管

不久前，記者在清華大學(xué)見(jiàn)到這個(gè)“自由角度無(wú)線充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個(gè)圓環(huán)垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個(gè)圓環(huán)又同時(shí)和一個(gè)方形框架垂直，“兩個(gè)圓環(huán)三個(gè)電磁線圈，這就是三線圈垂直測(cè)量接收裝置。”介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無(wú)線充電系統(tǒng)，道，這三個(gè)線圈中兩個(gè)用于測(cè)量電磁場(chǎng)，一個(gè)用于接收電磁場(chǎng)傳遞的能量。

把裝置置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上的任意位置，周?chē)词谴艌?chǎng)。啟動(dòng)裝置后，記者發(fā)現(xiàn)前方約半米處的一根原本熄滅的二極管很快發(fā)亮，“這說(shuō)明裝置已經(jīng)準(zhǔn)確地將對(duì)準(zhǔn)了磁場(chǎng)方向，電磁線已經(jīng)將能量傳遞到了二極管。”戴亞奇說(shuō)，系統(tǒng)中接收線圈可自由角度轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠測(cè)量出發(fā)射線圈產(chǎn)生的交流電磁場(chǎng)方向并自動(dòng)校準(zhǔn)接收線圈。利用該裝置可使充電始終對(duì)準(zhǔn)所在位置的交流電磁場(chǎng)方向，主動(dòng)地捕捉磁場(chǎng)能量，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)射線圈附近任意位置的有效充電。輔以一套現(xiàn)在已經(jīng)成熟的電量注入技術(shù)，就可以對(duì)電池進(jìn)行充電了。

當(dāng)記者提出，用這種無(wú)線方式充電是否會(huì)影響人體健康時(shí)。他表示，這種充電技術(shù)中的磁場(chǎng)頻率跟手機(jī)差不多，且大部分能量都會(huì)被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的接收裝置吸收，對(duì)人體健康并無(wú)大礙。至于如何為這種充電方法進(jìn)行計(jì)費(fèi)，戴亞齊笑道：“這很簡(jiǎn)單，跟無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)wifi一樣，把電量像流量一樣計(jì)費(fèi)就可以了。”

前景展望：從手機(jī)到宇宙飛船皆可應(yīng)用

采訪中戴亞奇表示，目前國(guó)外公開(kāi)的有角度無(wú)線充電技術(shù)，充電距離能達(dá)到9米。他們目前半米的無(wú)線充電距離主要是受到了高頻電流的限制，“我們用的是1M赫茲的頻率，國(guó)外的無(wú)線充電技術(shù)，電流頻率能達(dá)到2000赫茲以上。”他說(shuō)，自己還會(huì)和同學(xué)一起堅(jiān)持研究下去，盡快把這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的生產(chǎn)力。

戴亞奇介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無(wú)線充電系統(tǒng)，將充電線圈置于高速公路隔離帶，就可以形成一條“充電公路”，在這里，電動(dòng)汽車(chē)可以邊行駛邊充電，達(dá)到持續(xù)行駛的功能。

戴亞奇相信，這種自由角度無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)有著非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)人們還在關(guān)注著這項(xiàng)新技術(shù)能給電動(dòng)汽車(chē)的推廣帶來(lái)多大動(dòng)力時(shí)，他們的眼光已經(jīng)放得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)。“還有一項(xiàng)巨大的潛在功能就是可以應(yīng)用在我們的手機(jī)上，充電器和移動(dòng)電源將徹底成為歷史。”他說(shuō)，只要安裝了充電線圈的環(huán)境都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電，因?yàn)槭?ldquo;自由角度”，所以不管手機(jī)是“躺”在桌面上，還是被人握在手里，只要主人愿意，它們可以隨時(shí)補(bǔ)充電量。

而在更遠(yuǎn)的未來(lái)，戴亞奇說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)甚至可以應(yīng)用在航天飛行器上。他說(shuō)，現(xiàn)在的飛船在外太空作業(yè)時(shí)需要消耗大量電能，這些電能有兩個(gè)來(lái)源，一是自帶太陽(yáng)能電池板發(fā)電，二是通過(guò)與空間站對(duì)接，從那里獲得能量，“電池板體積巨大，對(duì)接技術(shù)難度很高且需要時(shí)間較長(zhǎng)，而通過(guò)自由角度從空間站無(wú)線充電，上述問(wèn)題就能迎刃而解。”

背景：“最未來(lái)”大家庭 獲近20項(xiàng)創(chuàng)新發(fā)明專(zhuān)利

在采訪中記者了解到，在清華大學(xué)，“未來(lái)汽車(chē)團(tuán)隊(duì)”還有11個(gè)“兄弟”。包括“未來(lái)機(jī)器人”、“未來(lái)醫(yī)療”、“未來(lái)航空”等等。他們同屬一個(gè)大家庭，叫做“最未來(lái)”。

清華大學(xué)團(tuán)委老師告訴記者，“最未來(lái)”是清華為鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展科研創(chuàng)新而組建的學(xué)生創(chuàng)新群體，學(xué)生憑興趣參與，沒(méi)有硬性科研任務(wù)，因此可以用輕松的態(tài)度來(lái)“玩”科技。成立4年來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員超過(guò)500人，累計(jì)完成百余項(xiàng)科研項(xiàng)目，正在進(jìn)行的項(xiàng)目達(dá)70余項(xiàng)，近半數(shù)成員有科技項(xiàng)目獲獎(jiǎng)、專(zhuān)利申請(qǐng)、學(xué)術(shù)論文發(fā)表等經(jīng)歷，僅專(zhuān)利就有近20項(xiàng)。

記者注意到， “最未來(lái)”團(tuán)隊(duì)的許多科研成果都來(lái)自于學(xué)生們對(duì)生活的思考。比如學(xué)生發(fā)現(xiàn)老師經(jīng)常遇到無(wú)線麥克風(fēng)電池耗盡的麻煩，就發(fā)明了無(wú)線充電麥克風(fēng)；因?yàn)槭忻嫔掀胀酚善鞑恢С蛛娔X在校內(nèi)上網(wǎng)，他們就發(fā)明了清華專(zhuān)屬路由器；還有的學(xué)生在一個(gè)玻璃罩內(nèi)放上平面的LED顯示器，通電高速旋轉(zhuǎn)后，可顯示五顏六色的立體數(shù)字、漢字、漫畫(huà)、奔跑或跳遠(yuǎn)的小人，經(jīng)編程軟件控制后，還可形成定制的圖案，目前，這款名為“光的三次方”的小玩具已在淘寶上熱賣(mài)。