[科技前沿] 殺死電池，這家物聯(lián)網(wǎng)公司要做傳感器里的“永動機”？

1980 年，一群卡耐基大學(xué)的程序員去樓下自動售貨機買冰可樂時，經(jīng)常碰上缺貨或者可樂不夠涼的情況。為了能少跑幾步樓梯，這群懶癌患者把自動售貨機接入了網(wǎng)絡(luò)，寫了個程序來監(jiān)控可樂的狀態(tài)：庫存多少，是否夠冰。這臺自動售貨機，就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的第一位祖先。

近 40 年過后，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)滲透到了生活和工業(yè)應(yīng)用的方方面面，小到各類可穿戴設(shè)備，共享單車，大到工廠中運轉(zhuǎn)的機器設(shè)備、深埋地下的運輸管道，林林總總，都被納入了萬物互聯(lián)的范疇。

但如果這同時意味著要為幾十億顆傳感設(shè)備更換電池，物聯(lián)網(wǎng)就很容易從美好的憧憬變成一場噩夢。因此，如何降低功耗一直以來，都是物聯(lián)網(wǎng)競賽中的重頭戲。

上周五（7月13日）下午，由電子城集團、聯(lián)想控股主辦，聯(lián)想之星美國 Comet Labs 及創(chuàng) E+ 聯(lián)合承辦的，“AI＋制造”——人工智能項目國際交流峰會在創(chuàng)E+酒仙橋社區(qū)舉行。

在這場匯聚國際尖端科技項目的交流峰會上，我們接觸到了一家名為 PsiKick 的物聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司，并從他們身上看到了一個不需要依賴電池的未來物聯(lián)網(wǎng)雛形。

接受我們專訪的是 PsiKick 的硬件工程師 Furqan Moin。

PsiKick 成立于 2012 年，是一家物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商。

當(dāng)其他物聯(lián)網(wǎng)公司還在尋求低功耗解決方案，以求為電池壽命「續(xù)命」之時，PsiKick 則激進得多，他們直接「殺死」了電池，為工廠提供了一套完全無需依賴電池供電的工業(yè)級傳感器。

去掉傳感器電池為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署所帶來的優(yōu)勢不言而喻——試想，要將零散分布于廠房甚至幾百千米管道上的傳感器電池全部更新一遍，這幾乎是個不可能完成的任務(wù)。而 PsiKick 的核心競爭力就在于，不需要電池也就意味著不再需要人工維護成本。理論上，只要部署于理想的環(huán)境，這套傳感器終端設(shè)備就可以像「永動機」一樣，無限地工作下去。當(dāng)然，永動機是個偽命題，PsiKick 能實現(xiàn)電能自給自足的永久性運轉(zhuǎn)，其背后的理論支撐，是源于一套叫做 subthreshold processing「亞閾值處理」的技術(shù)。

「亞閾值處理」，名字聽上去很抽象，但其原理并非難以理解——當(dāng)電路中的電源電壓低于某一閾值時，晶體管被認為是關(guān)閉的。盡管如此，實際上此時仍會有少量電流流動，把這些漏電流收集起來，就可以用來進行一些實用的操作。這個特性從上世紀(jì) 70 年代開始，就被應(yīng)用于半導(dǎo)體器件和集成電路方面的研究中，一些早期的電子表也采用了亞閾值電路，以求節(jié)省能耗，高效地利用電池。但奈何當(dāng)時人們追求的是芯片的速度和性能提升，能耗則并非電路設(shè)計考慮的優(yōu)先重點。因此，在很長一段時間內(nèi)，「亞閾值邏輯」并未得到廣泛的應(yīng)用。

直到萬物互聯(lián)對傳感終端的大規(guī)模部署提出需求——「亞閾值處理」收集的電流雖然微弱，不足以支撐手機芯片或是高強圖像、數(shù)據(jù)處理，但用在僅需幾十兆赫茲電流就能運行的物聯(lián)網(wǎng)傳感器上，已經(jīng)足夠了——PsiKick 傳感器中的系統(tǒng)芯片（SoC）正式基于這一理論的實踐。據(jù) Furqan 介紹，PsiKick 傳感器的功耗僅為傳統(tǒng)設(shè)備的千分之一，卻能實現(xiàn)同等強大的功能。

解決了低功耗的問題，但物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點仍然需要一部分電流來維持工作。在沒有電池供電的情況下，所需要的這些能源從何而來呢？這也是 PsiKick 之于物聯(lián)網(wǎng)真正的變革所在。他們將 energy harvesting「能量采集」技術(shù)集成于電路芯片之上，這樣，傳感器就能通過攝取周圍環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)換成為電能，以供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端工作使用，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端的能量自給，解決其能量再生問題。

現(xiàn)有技術(shù)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)的「能量采集」渠道主要有幾種：震動能、光能、熱能和射頻能。Furqan 表示，PsiKick 目前使用最廣泛的是光能和熱能，未來還將增加震動、無線電頻率等更多能量來源，以適應(yīng)更加復(fù)雜的部署環(huán)境要求。

對于這套能量采集系統(tǒng)，一個相對容易理解的例子，就是光能，包含室內(nèi)的燈照光線和室外的太陽能，這也可以說是目前應(yīng)用最為成熟的能量獲取系統(tǒng)。一般而言，芯片在室內(nèi)光線的照射下能提供 nW（納瓦）等的功率輸出；而在強光下則能提升至 uW（微瓦） 級。這對于僅需 20 uW 即可正常工作的 PsiKick 傳感器而言，已經(jīng)綽綽有余。各種能量采集渠道各有千秋。比如，光能勝在成本低、電能轉(zhuǎn)化效率高，但對于一些戶外場景而言，光線不可能隨時隨地存在。因此，針對環(huán)境中的能源特點，來對癥選擇最有效的能量采集方式也很重要。蒸汽管道泄漏監(jiān)測是 PsiKick 目前最廣泛的落地應(yīng)用場景。這些管道通常分布在無法得到 24 小時光照的戶外，甚至深埋于地下。結(jié)合管道表面的高溫特性，PsiKick 采用了另一套能量收集系統(tǒng)——熱能。蒸汽管道表面溫度動輒高達幾百攝氏度，此時，管道表面與周圍環(huán)境的溫度差異就可以被轉(zhuǎn)化為電勢。這樣一來，熱源中的廢熱也得以充分利用，直接為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端提供能量。

低功耗數(shù)字和射頻電路，加上能源采集技術(shù)，就構(gòu)成了 PsiKick 的「永動機」傳感器。

事實上，自從上世紀(jì) 80 年代以來，除了逐步降低的功耗外，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的大局基本沒有太多突破性的變革。其中一項重要的制約因素，便是電池技術(shù)。

現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)傳感模塊都要名片盒大小，其中芯片可能只占指甲蓋的面積，其余位置則幾乎都被電池所占據(jù)。尺寸很難做小，是由于通訊基站的需要覆蓋盡可能大的面積，傳感器與基站的部署距離相隔幾千、甚至幾十千米，這就對物聯(lián)網(wǎng)模塊的射頻發(fā)射功率有了很高的要求，因此需要配合較高容量的電池才能工作。

去掉電池，就賦予了 PsiKick 在傳感器尺寸上巨大的提升空間。他們希望在接下來的幾代產(chǎn)品中，逐步融入柔性電路板技術(shù)，最終能將傳感器的尺寸縮小到一張郵票的大小。

不過，在采訪中我們也發(fā)現(xiàn)，雖然 PsiKick 所描繪的技術(shù)未來無比令人興奮，但其中的缺陷也不容忽視。首先，在去掉電池的同時，PsiKick 也剝奪了物聯(lián)網(wǎng)模塊間的通訊距離。據(jù)科技MIX記者了解，以北京升哲為例，一些國內(nèi)主流物聯(lián)網(wǎng)廠商所研發(fā)的通訊基站，其覆蓋面積已能達到 3-10 km 的范圍。而相比之下，PsiKick 基站與傳感器之間的通訊距離最遠不能超過 25m，下一代也僅能升級為 300m。即使對于室內(nèi)的工業(yè)場景，這個傳輸距離也只能說是捉襟見肘。另外，Furqan 也坦言，從目前的發(fā)展水平來看，PsiKick 這套不使用電池的物聯(lián)網(wǎng)傳感方案還嚴(yán)重受制于環(huán)境條件。如果遇到一些無法獲取光能、熱能的極端場景，PsiKick 尚無法完全取代傳統(tǒng)的電池傳感器。

只要能夠解決這些問題，PsiKick 依舊擁有無窮的想象空間。從 B 端的工業(yè)設(shè)施監(jiān)控、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生物傳感、醫(yī)療保健，到 C 端的可穿戴設(shè)備、智能家居等等，它幾乎適用于物聯(lián)網(wǎng)上的任何應(yīng)用場景。

雖然 PsiKick 的核心技術(shù)在于其具備「能量采集」功能的低功耗傳感器芯片，但 Furqan 說他們從來不將自己定義為一家單純的硬件廠商。在市場策略方面，PsiKick 選擇了「賣服務(wù)送硬件」的模式。他們已經(jīng)搭建了一整套從終端設(shè)備到云的服務(wù)架構(gòu)，擁有自主研發(fā)的低功耗傳輸協(xié)議 PsiFi。不單獨出售芯片，一方面是出于營銷考慮，但從另外一個側(cè)面，我們或許也能得出這樣的結(jié)論——PsiKick 的全部核心技術(shù)全部在于這一張小小的芯片，其技術(shù)壁壘可能尚不足夠厚實。如果芯片技術(shù)被其他廠商取得，搭建出一套類似的服務(wù)體系，可能只是時間問題。

況且，PsiKick 也并非無電池傳感領(lǐng)域唯一的公司，例如位于美國密歇根州的 Bellutech，來自比利時的 IMEC 都在參與這一領(lǐng)域的競爭。盡管如此，對于許久未找到真正「興奮點」的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域而言，PsiKick 已經(jīng)提供了一個不錯的新開端。