自从人类社会进入电气化、信息化时代以来，人们在日常生活中伴随着越来越多的电子设备，如手机、手表、笔记本电脑、电动汽车等等。正如过去五年中耳机的无线化革命浪潮一样，充电设备也亟需新的、更高效、更便捷的方式实现无线化，以去除臃肿复杂的充电线所带来的繁琐不便。因此，针对无线能量传输的研究迫在眉睫。
无线电能传输无需电线或波导等物理连接器的电磁能传输通常利用几十年前首次提出的电磁场控制方法，需要牺牲一些基本参数（如效率）以利于其他参数（如稳定性）。近年来，已经开发出新的电磁场操纵方法，可用于创建先进形式的无线功率传输。
这周，由来自中国哈尔滨工程大学宋明肇教授领导的国际科研团队在国际著名期刊Nature Electronics上以Wireless power transfer based on novel physical concepts为题发表综述文章，系统总结了用于无线功率传输的新型物理效应和材料的发展，探索了基于相干完美吸收、奇偶时间对称性和奇异点以及现场发电的技术，还探讨了超材料和超表面在无线功率传输中的使用，以及声功率传输的使用，并展望了无线功率传输技术进一步发展的潜在途径。
图1. 尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943），塞尔维亚裔美籍发明家、物理学家、机械工程师、电气工程师，无线能量传输的开创者。
历史上第一个无线能量传输（Wireless Power Transfer）系统可以追溯到十九世纪末的尼古拉·特斯拉。近年来，电池供电设备的迅速发展导致人们对开发高效稳定的无线能量传输系统越来越感兴趣，如今无线能量传输系统被用于许多重要应用，包括心脏起搏器、电动汽车和消费电子产品。然而，现代无线能量传输技术仍然利用古老的电磁场控制方法，这些方法为了提升某些参数，往往需要需要牺牲其他一些重要参数。例如，当传输距离相对较长，高效率不能与高稳定性和高水平的传输功率一起实现。此类技术还受到其他限制（例如，与功率传输方向和工作频带相关），这意味着可用的无线能量传输系统远未达到最佳状态。
最近，学术界提出了新的电磁场控制方法，包括相干完美吸收材料、具有任意大质量（Q）因子的连续介质中的束缚态、宇称-时间（PT）对称系统中的奇异点以及无辐射状态。伴随着新的人工材料、超材料和超表面的发展，这些材料和超表面扩大了材料设计的可能性。这些新的效应和材料反过来又导致了无线能量传输新机制的发展，包括基于宇称-时间对称性的机制、非厄米系统的奇异点、相干完美吸收以及超材料和超表面的使用。通过将电磁波转换为其他性质的波（如声波）而创建的高效无线能量传输系统也已被探索。
在这篇综述中，宋肇明等研究人员研究了基于这些新机制的无线能量传输系统。文章首先讨论了传统的无线能量传输系统：即感应功率传输（IPT）、磁共振功率转移（MRPT）、电容功率传输（CPT）和远场功率传输（FPT）。然后，文章探索不同的新无线能量传输机制：如相干增强无线能量传输、奇异点无线能量传输、基于宇称-时间对称性的无线能量传输和现场发电。最后，文章还探讨了超材料和超表面在无线能量传输和声功率传输（APT）中的应用。
图2. 传统无线能量传输物理机制的示意图。
图源：Nature Electronics 4, 707–716 (2021).
最广为人知且可能使用最广泛的无线能量传输机制是感应功率传输（图2a）。感应功率传输使用两个彼此靠近的线圈（发射器和接收器）。通过发射器线圈的交流电根据安培定律产生振荡磁场。磁场通过接收线圈，通过法拉第感应定律感应交流电压，从而在接收器中产生交流电。
为了在不降低能量传输效率的情况下克服距离限制，可以通过电容来补充发射线圈和接收线圈，从而使这两个电路在狭窄工作频带的中心频率处产生谐振。这种技术称为磁共振功率转移（图2b）。自从实验证明，在近场强耦合区域，两个谐振线圈在10分钟内以40%的效率提供功率传输以来，人们对这种无线能量传输的兴趣已经提高MHz范围，足以在超过2MHz的频段上点亮灯泡。这项研究引起了公众的强烈关注，许多科研团队和制造商开始积极利用它。迄今为止，学术界已经发表了许多关于改善能量传输效率、匹配条件、转移功率和所提出系统鲁棒性的理论和实验研究。该方法的优点已被用于创建适用于广泛应用的实用无线能量传输系统，包括为移动和手持无线设备充电。然而，由于效率适中，这些系统通常对组成元件的变化和位移不稳定，从而限制了多个装置的充电。
也可以使用电容耦合通过高频电场传输能量（图2c）。该方法称为电容功率传输。这里，接收部分和发送部分之间的耦合通过适合于高电功率的有效传输的电场来实现。例如，2.4 kW 电容功率传输系统的设计气隙为板与板之间的能量传输效率为90.8%。这种类型的无线能量传输被建议用于给机器人、无人机和电动车辆充电。与感应功率传输和磁共振功率转移不同，电容功率传输不会在导电物体中产生涡流损耗，并引入较少的火灾危险。然而，电容功率传输与环境中的物体有较强的寄生相互作用。因此，现有电容功率传输解决方案的目标是低功耗应用，如集成电路之间的功率和数据耦合，或将功率和数据传输到生物医学信号仪器系统。
感应功率传输、磁共振功率转移和电容功率传输技术使用近场功率传输机制，其中发射机和接收机之间的距离远小于波长。另一种方法是远场功率传输（图2d），其中电场和磁场在能量传递中的作用是等效的，因为能量由电磁波携带。传统的远场功率传输意味着通过短无线电波传输功率。微波和毫米波无线能量传输系统包括非常定向的发射和接收天线，在可移动的接收部分上带有跟踪系统。实际上，这种无线能量传输系统提供的功率足以支持轻型无人机与发射天线相距几十公里。据报道，微波功率足以支持从地球传输到数百公里以外的实用卫星的所有功能。这种方法的明显缺点是在接收器和发射器之间的空间中传输效率低和电磁能量密度高。使用光波（高功率激光器）的无线能量传输系统也是众所周知的。
图3. 新颖的无线能量传输机制。
图源：Nature Electronics 4, 707–716 (2021).
图3说明了本综述中讨论的无线能量传输的新物理机制。相干完全吸收（图3a）基于接收天线与发射天线的场相干的附加激励。该方法采用了相干完美吸收体领域的最新发展理念，它是应用电磁场理论领域的新效应开发具有更好性能的电磁系统的一个例子。时空对称无线能量传输系统和具有所谓奇异点的系统（图3b）利用了非厄米结构的物理特性。孤立宇称-时间对称系统的演化由宇称-时间对称哈密顿量控制，该哈密顿量在空间（P）和时间（T）同时反转时是对称的。宇称-时间对称系统由增益部分和损耗部分组成，在P对称操作后相互替换，然后T反转将其返回到初始配置。宇称-时间对称哈密顿量在所谓的异常点（多个模式的本征态和相对本征值的合并）支持本征值谱从完全实到复的相变。宇称-时间对称结构对于电子学和无线能量传输应用特别重要，因为它们使系统能够对参数变化具有鲁棒响应。对于具有平衡增益和损耗的无线能量传输系统，更一般的考虑导致了自激振荡系统（现场发电）的概念，其中负载是脉冲自激振荡变送器的一部分，其在可变负载下提供更好的效率和稳健的操作。
现代无线能量传输系统在使用超材料和超表面时具有丰富的功能。亚波长粒度的超表面二维薄膜结构在过去几年中引起了广泛关注，因为它们在空间和时间上提供了新的波控制方法，提供了许多潜在的应用。超表面用于通过定位其近场来增强无线能量传输系统的发射机和接收机之间的耦合（图3c）。例如，受超透镜概念的启发，提出了一种自调谐多发射机无线能量传输系统，其中接收机可以随机放置在超表面上方，并在没有任何跟踪系统的情况下高效供电。超表面本身也可以用作无线能量传输系统中的发射器，以实现扩展功能，因为它能够在近场成型。精心设计的超表面还可以将电场和磁场分开，并提供均匀的磁场分布，以支持对多个接收器同时充电。
电磁场以外的能量载体可用于无线能量传输。例如，能量可以由热流、声波和带电粒子束携带。然而，根据定义，无线能量传输系统通过绝缘环境（如自由空间）传输电能。因此，无线能量传输系统中的非电磁功率载波只能是中间产物：也就是说，直接和反向转换过程隐含在此类无线能量传输中。由于任何实际无线能量传输系统的这些转换过程必须是节能的，因此热通量和粒子束是不合理的。同时，具有极高电转换效率的声波有望用于先进的无线能量传输技术（图3d）。
图4. 用于无线能量传输的超材料结构。
图源：Nature Electronics 4, 707–716 (2021).
无线能量传输的进一步发展有很多途径。首先，非辐射态，例如连续体（BICs）中的介子和束缚态，可能有利于无线能量传输应用，因为它们可以提供没有寄生辐射能量损失的系统。无极态是电磁场的一种非散射态，表现为散射效率的显著下降。尽管具有非散射性质，但极性态的内部电磁场可以被强烈增强，从而产生增强的光-物质相互作用效应。因此，由于辐射损耗消失，两个谐振器的耦合可以提高无线能量传输的效率。然而，回极状态是至少两个多极矩的干扰，因此由第二谐振器/天线的存在引起的矩的交替可以使回极失真，使得系统对参数的变化敏感。
BIC是谐振器的本征模，由于对称性或与另一个非正交模式的破坏性干扰而不辐射。这使得散射共振具有大Q因子，仅受耗散损耗限制。BIC支撑结构为定制电磁环境和辐射损耗提供了独特的平台，这对于高频无线能量传输至关重要。最近的研究还表明，BIC是拓扑保护的：即系统参数的变化不会消除BIC状态。这些BIC的稳定性（鲁棒性）可以用它们的拓扑性质来解释，其根源在于这些特征服从拓扑结构的守恒性。此外，已经证明，BIC电荷的合并能够在现实系统和连续性内的单向引导模式中实现更多的受限共振。这种拓扑保护使得BIC支撑结构对于稳定的无线能量传输系统来说非常有趣。
具有显式时间调制的系统可以克服限制和界限，包括洛伦兹倒数、无源宇称-时间对称、物质的非磁性拓扑相位。例如，通过显式时间调制来突破Chu限制可以使无线能量传输系统具有超小型但足够宽带的收发器和接收器。绝热时间调制可导致几何相位效应，可用于打破时间反转对称性并产生各种拓扑效应。所有这些都使得具有时间调制的系统对无线能量传输具有吸引力。
拓扑绝缘体电磁模拟中的拓扑保护（缺陷或边缘）模式有望实现高效和稳健的无线能量传输。这些拓扑非平凡模式最近已用于拓扑保护单向波导、拓扑LC电路、鲁棒延迟线和单模激光器。特别是，通过非对称拓扑边态对非辐射无线能量传输应用磁耦合谐振器的Su–Schrieffer–Heeger拓扑链进行了研究，并证明了无线能量传输对系统参数随机扰动的拓扑保护。或者，对于免疫于内部无序扰动的长程无线能量传输系统，探索了由超亚波长谐振器组成的光子二聚体链中宇称-时间对称性和拓扑边态的优势。尽管拓扑系统允许可靠的点对点能量转移，对无序或几何缺陷具有免疫力，但它们对吸收损耗具有固有的敏感性。因此，将其扩展到非厄米系统是非常可取的。这可能导致一种新形式的稳定拓扑波，或使拓扑边态对各种非厄米缺陷具有鲁棒性。
展望未来，具有多功能和动态功能的超材料、超表面以及摩尔超表面将会为无线能量传输提供全新的物理机制和实现方法，从而会大大推动无线能量传输的应用与推广。
参考文献：
Mingzhao Song, Prasad Jayathurathnage, Esmaeel Zanganeh, Mariia Krasikova, Pavel Smirnov, Pavel Belov, Polina Kapitanova, Constantin Simovski, Sergei Tretyakov and Alex Krasnok, “Wireless power transfer based on novel physical concepts”, Nature Electronics 4, 707–716 (2021).