海水作为电缆！海洋中的无线电力传输
丰桥工业大学电气电子信息工程系的Masaya Tamura副教授，村上康介及其研究小组，利用4层超薄扁平电极的电力发射/接收装置，成功地通过海水进行了电力和数据的无线传输。在无线电力传输领域，海水是损耗极高的电介质，通过电容耦合实现是很困难的。到目前为止，人们一直认为只有通过磁耦合才能实现无线功率传输。这次，着眼于海水的高频特性，设计了第三种导电耦合的方法，开发了一种功率发射/接收机，实现了高效的功率传输。
随着平均年龄的增长，日本从事渔业的人数在逐年减少。原因之一是大量高强度的体力劳动必须依靠人力。为了改善这一状况，通过使用机器人清洗水产养殖网等，自动化程度正在进步。今后，有望开发出驻扎在海水中的机器人(水下无人机)，这样，水质和环境管理、鱼类生长的检查等都可以用机器人进行管理。但是，由于这些无人机是以电池为动力的，所以必须将其从水中拉出，给电池充电，再放回水中。此外，此时必须收集水下的数据。解决这个问题的关键是开发通过供电站在海水中无线传输电力和数据的技术。特别是，由于这些无人机的重量很轻，增加重量和体积就很难控制浮力和方向，因此必须实现轻量化和节省空间的技术。田村正也副教授和他的研究团队开发了一种新型的电发射/接收机，即使在海水中也能实现高效的无线功率传输。
无线功率传输的效率取决于kQ乘积，kQ乘积是功率发射器和接收器之间的耦合系数k和包括周围环境影响在内的功率发射器/接收器损耗的Q因子的乘积。当k接近1时，效率提高，Q因子增大。但是，由于高频电流在海水等高导电性介质中流动，因此很难单独讨论k和Q因子。由于随着kQ积的增加效率提高的原理并没有改变，因此，从kQ积的角度出发，从注重海水导电性的等效电路中找出了提高效率的关键参数。然后建立了以kQ积表示最大值的设计理论，并设计了功率发射器/接收器。在此基础上，在宽频带上实现了在传输距离为2cm时，射频-射频功率传输效率为94.5%，在传输距离为15cm时，功率传输效率至少为85%。在传输距离为2厘米时，甚至可以用1千瓦的电功率保持至少90%的功率传输效率。此外，还可以实现高速传输，在宽频带上保持高效率。该团队成功地利用他们开发的电发射/接收器对电容器进行充电，并利用这种电力驱动相机模块，通过同样的电发射/接收器实时传输视频。这次的传输速度约为90Mbps，其实更高的速度也是可能的。将电力和数据传输到小型水下无人机上，并期望无人机能停在供电站上的实验也获得了成功。此时安装在无人机上的电接收器和电力电路的总重量非常轻，约270克。
发展背景
研究小组组长田村正也副教授表示：”在富含离子的海水中，希望高频电流能以最小的损耗流动。”在研究淡水中的无线电力传输时，在分析电力传输效率随海水盐度变化的方式时，我们遇到了这样的现象：随着盐度的增加，效率会降低几个百分点，但从一定的盐度开始，效率就会恢复并维持在20%左右。我坚信这是证实我的预测的证据，于是我们从功率发射/接收机的等效电路出发，发展出一套操作理论，对这些结果进行详细的研究和澄清。然后，我们根据该理论设计了功率发射器/接收器的结构，在制作了原型机并进行了测量后，我们获得了在海水中进行功率传输的效率至少为90%的结果。为了防止在海水中大量供电时电极表面发生化学变化，我们采用了绝缘涂层。我们惊讶地发现，即使在这种条件下，效率也能达到至少90%。” 获取更多前沿科技 信息 请持续关注：https://byteclicks.com
未来展望
研究团队认为，这些研究成果将使无人机能够在海水中传输数据并进行充电，而无需对水下无人机进行重大的设计改动，这些成果将有助于快速提高作业效率。所开发的功率发射/接收机非常简单和轻巧，这意味着可以最大限度地减少水下无人机重量的增加。他们的最终目标是为开发完全可以在陆地上管理的水下无人机系统做出贡献。这项研究成果计划在今后的出版物、学术会议等场合公布。
这项工作得到了日本科学促进会（JSPS）科学研究补助金的部分支持。
