人人可制无电池电子设备，减少废电池对环境的污染

诸平

Credit: Northwestern University

据 美国西北大学（Northwestern University）2021年9月22日提供的消息，现在每个人都可以制造无电池的电子设备（Now everyone can build battery-free electronic devices）。

去（2020）年，美国西北大学和代尔夫特理工大学(Delft University of Technology简称TU Delft)的计算机工程师推出了世界上第一款无需电池的掌上游戏机——Game Boy，它可以收集太阳能和用户按下按键所产生的动能，为无限的游戏机寿命提供动力。

同一个团队现在推出了一个新的平台，让制造商、业余爱好者和新手程序员可以自己制造无需电池的电子设备，使用间歇性的、收集的能量运行。

该系统被称为BFree，包括能量收集硬件(BFree Shield)和一个抗电源故障的Python版本，Python是最容易访问和使用最多的编程语言之一。用户所需要的是对Python的基本了解，以便快速、轻松地将任何自己动手 (do-it-yourself简称DIY)智能设备（smart device）转换为无需电池的版本。有了这项技术，新手程序员现在可以把他们的DIY电池驱动的运动传感器，例如，变成一个无限寿命的太阳能传感器。

这项研究在UbiComp 2021上进行了虚拟展示，UbiComp是普适计算的主要会议。用户可以在GitHub上找到如何构建和使用新技术的说明。

 “问错了问题（Asking the wrong question）”

这项工作的共同负责人、西北大学的约西亚·赫斯特(Josiah Hester)说：“目前，业余爱好者几乎不可能开发无电池硬件设备，所以我们想让我们的无电池平台大众化。互联网上所有的制造商都在询问如何延长设备的电池寿命。他们问错了问题。我们希望他们忘记电池，转而考虑更可持续的方式来生产能源。

与约西亚·赫斯特共同领导这项研究的代尔夫特理工大学（TU Delft）的普热米斯劳·帕维尔查克（Przemyslaw Pawelczak）说：“制造商群体通常对快速部署他们的设备更感兴趣，而这种快速并不总是与可持续发展相协调。我们想设计一款可行的产品，将这两个世界连接起来即既要快速，又要可持续发展。”

约西亚·赫斯特是西北大学麦考密克工程学院（Northwestern's McCormick School of Engineering）电子与计算机工程和计算机科学的助理教授。他也是艾伦K.和约翰尼·科德尔品种设计的初级教授（Allen K. and Johnnie Cordell Breed Junior Professor of Design）。普热米斯劳·帕维尔查克是代尔夫特理工大学嵌入式和网络系统组(Embedded and Network Systems Group at TU Delft)的助理教授，他领导着可持续系统实验室(Sustainable Systems Laboratory)。他们的团队包括3名博士生：维托·科特比克（Vito Kortbeek）、阿布·贝克（Abu Baker）以及斯蒂芬妮·克鲁兹（Stefany Cruz）。

创客运动的电池问题（The Maker Movement's battery problem）

创客运动(Maker Movement)是DIY文化以技术为重点的延伸，由各种各样的发明家、设计师和计算机程序员组成，他们为电子设备(包括运动传感器、显示器、驱动器等)构建自己的硬件和软件。与云计算相结合，开发快速、廉价和可连接设备的能力使物联网(Internet of Things简称IoT)成为可能。从家庭自动化设备到气象站，以及介于两者之间的一切，这些DIY者（DIYers）都在生产。

虽然越来越多的人能够制造和编程设备，这为技术带来了一个令人兴奋的未来，但约西亚·赫斯特、普热米斯劳·帕维尔查克和他们的团队对将要使用并最终被填埋的电池数量感到气馁。

约西亚·赫斯特说：“许多人预测，在这个物联网领域，我们将拥有一万亿台设备。这意味着会有一万亿个电池报废（没电了），即有1亿人每隔几分钟就要更换一个电池。这会给环境带来了可怕的生态代价。相反，我们正在做的，是真正把权力交给人们。我们希望每个人都能以一种更可持续的方式轻松地设计设备。”减少污染，保护环境。

对用户来说是“隐形的”（ 'Invisible' for the user）

但简单地放弃电池并不像听起来那么简单。当设备绕过电池，转而依靠能量收集时，电源供应就不再稳定。例如，如果阴天太阳躲到云层后面，那么太阳能可能会暂时中断。

通过BFree，研究人员解决了这个问题。该技术使设备能够在间歇性能源的情况下持续运行。断电时，BFree暂停计算。当电源返回时，它会自动恢复它停止的地方，而不丢失记忆或需要运行一长串的操作，然后重新启动。这种技术不仅节约能源，而且比传统程序更直观，因为传统程序会丢失断电前发生的所有记忆，重新启动需要从头再来。

为了方便用户使用，研究人员用软件编写了BFree代码来解释无电池设备的Python程序。用户只需要将BFree Shield附加到Adafruit Metro M0制造商平台上(或进行稍微修改，以配合其他基于CircuitPython的平台)，然后按照通常的方式对设备进行编程。BFree软件负责其余的工作，使该程序在没有电池的情况下运行，完全依靠收集的能源，并在断电时持续运行。

普热米斯劳·帕维尔查克小组的博士生维托·科特比克说：“我们想让最终用户完全看不到它。所以，我们试图保持设备的原始体验不变，而不让用户看到我们如何改变软件，以无需电池的技术来解释Python文件。”

约西亚·赫斯特说:“现在每个人都可以制造和规划智能的、可持续的设备。这使得普适计算的未来愿景更加可持续、有用和对环境负责。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Battery-free Game Boy runs forever

More information: Conference: www.ubicomp.org/ubicomp2021/

GitHub Link: github.com/tudssl/bfree