美国麻省理工学院：首个用WiFi信号发电的完全柔性设备问世！

背景

如今，我们身边的各种电子产品，例如智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备等，几乎都离不开电池供电。然而，电池却存在着使用寿命有限、续航能力有限、需要反复充电、安全隐患等问题。因此，电池也成为了影响现代电子产品性能与用户体验的关键因素之一。

为此，科学家们一直在积极研发让电子产品摆脱电池的新型供电方案。之前，笔者也为大家介绍过许多这方面的案例。接下来，让我们先来看几个经典案例：

（一）美国华盛顿大学发明的全球首款无需电池的手机，能从周围环境中的无线电信号或者光线中获取几微瓦的能量，保证正常手机通话。

（二）美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的科研人员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场，无线地提供能量和进行控制，展开可重复的复杂运动。

（三）中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾 科技 大学等机构的科研人员组成的团队，在中华传统剪纸艺术启发下，开发出一种轻量的、剪纸式样的摩擦电纳米发电机（TENG），能采集人体运动的能量，为电子产品供电。

（四）美国密歇根州立大学的科研人员开发出由铁电驻极体纳米发电机（FENG）组成的柔性设备，让电子设备直接从人体运动中采集能量。

创新

今天，笔者要为大家介绍一项让电子产品摆脱电池的新科研进展。

近日，美国麻省理工学院联合其他科研机构（马德里理工大学、美国陆军研究实验室、马德里卡洛斯三世大学、波士顿大学、南加利福尼亚大学）开发首个能将WiFi信号的能量转化为电力的完全柔性设备，它可以为电子产品供电。

能将交流变化的电磁波转化为直流电的设备被成为“整流天线”。在《自然（Nature）》期刊上发表的论文中，研究人员们演示了一种新型整流天线。

技术

该整流天线采用了一个柔性射频（RF）天线，以交流变化的波形捕捉电磁波（包括携带WiFi信号的那些）。然后，这个天线被连接至一个由仅为几个原子厚度的“二维半导体”制成的新型器件。这种交流信号传送到半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压可用于为电子电路供电或者为电池充电。

通过这种方式，无需电池的设备被动地捕捉无处不在的WiFi信号，并将其转化为有用的直流电源。更进一步说，该设备是柔性的，并能通过“卷对卷（roll-to-roll ）“工艺制备，从而可以覆盖非常大的面积。

所有的整流天线都依赖一个称为“整流器”的元件，这个元件将交流输入信号转化为直流电源。传统的整流天线将硅或者砷化镓用于整流器。这些材料可以覆盖WiFi频段，可惜它们是刚性的。尽管采用这些材料制造小型器件相对便宜，但用它们覆盖大面积，例如建筑物与墙壁的表面，成本过高。长期以来，研究人员们一直在尝试解决这些问题。但是目前所报告的柔性天线很少工作在低频率下，并且无法捕捉与转化千兆赫频率的信号，然而大多数相关的手机和WiFi信号都处于这个频率。

为了构造他们的整流器，研究人员们采用了一种称为“二硫化钼（MoS2）”的新型二维材料。它只有三个原子的厚度，是全球最薄的半导体之一。MoS2 可用于构造柔性的半导体元器件，例如处理器。

这么做时，团队利用了二硫化钼的一种“奇特”行为：当接触特定的化学物质时，材料的原子会重新排列，表现得如同开关一样，产生一种从半导体到金属材料的相变。这种结构也称为“肖特基二极管”，它是利用金属与半导体接触形成的“半导体-金属结”原理制作的。

论文第一作者、电子工程与计算机博士后 Xu Zhang（不久将成为卡耐基梅隆大学的助理教授）表示：“通过将 MoS2 设计成二维的半导体-金属结，我们构建出了原子薄度、超高速的肖特基二极管，它可以同步减少串联电阻与寄生电容。”

在电子器件中，寄生电容是一种不可避免的情况。这种情况下，特定的材料存储少量的电荷，将使电路速度变慢。因此，寄生电容越低，整流器速度就越快，运行频率也越高。研究人员们设计的肖特基二极管中的寄生电容，比目前最先进的柔性整流器中的寄生电容，要小一个数量级。因此，这种二极管的信号转化速度更快，可采集并转化10GHz的无线信号。

Zhang 表示：“这种设计将带来一种完全柔性的设备，它快到可覆盖我们日常使用的电子器件的大多数射频频段，例如WiFi、蓝牙、蜂窝LTE等。”

研究人员所报告的工作，为将WiFi转化为电力的其他柔性设备提供了蓝图，这些柔性设备具备足够大的输出和效率。根据WiFi输入信号的输入功率，目前设备的最大输出效率约为40%。在典型的WiFi功率等级下，MoS2 整流器的能量效率约为30%。相比而言，目前最佳的硅和砷化镓整流天线（由更加昂贵的刚性材料硅和砷化镓制成）实现了差不多50%到60%的效率。

价值

论文合著者之一、麻省理工学院微系统技术实验室的 MIT/MTL 石墨烯器件与二维系统研究中心主任 Tomás Palacios 表示：“假如我们开发出的电子系统，能够环绕大桥，或者覆盖整个公路，或者覆盖办公室墙壁，并将电子智能带给我们周围的每个物体，那将会如何？你如何为这些电子产品供电？我们提出了一种新办法来为这些未来的电子系统供电，通过一种可简单大面积集成的方式采集WiFi的能量，为我们身边的每个物体带来智能。”

科学家们提出的这种整流天线的早期应用包括为柔性与可穿戴设备、医疗设备、“物联网”传感器供电。例如，对于主要的技术公司来说，柔性智能手机将是一个热门的新市场。在实验中，当研究人员们将器件放置到典型的WiFi信号功率级别（150微瓦左右）的环境中，它可以产生出40微瓦的功率。这个功率足以点亮一个简单的移动显示屏，或者为硅芯片提供电力。

论文合著者之一、马德里理工大学的研究员 Jesús Grajal 表示，另外一个可能的方案就是为植入式医疗设备的数据通信供电。例如，研究人员们正在开始开发能被患者吞服的药丸，并将 健康 数据发回给计算机诊断。

Grajal 表示：“理想情况下，你不会想用电池来为这些系统供电，因为如果电池泄露锂，那么患者可能会死亡。从环境中采集能量，为体内的这些小型实验室以及与外部计算机的数据通信提供电力，具有明显的优势。”

目前，团队正在计划打造更加复杂的系统并提升效率。

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128

【2】Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting . Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

01、常见的柔性材料有:聚乙烯醇( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚酰亚胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN ) 、纸片 、纺织材料等 .聚亚酰胺材料具有耐高温、耐低温、耐化性与良好电气特性的优点,是柔性电子基本最具潜力的材料,唯在柔性基材选择上除了耐高温的特性要考虑以外,柔性基板的光穿透率、表面粗糙度与材料成本都是选择须考虑的因素. 聚二甲基硅氧烷(PDMS)也是被广泛认可的柔性材料,它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等.尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易地粘附电子材料.PET虽然转化温度低,约70~80℃之间,但是PET价格低廉,光穿透性佳,是透明导电膜性价比很高的材料.02、金属材料 03、有机材料 04、无机半导体材料 05、碳材料

国家、地方政府、风投机构对芯片企业的补贴和投资，什么时间才能初见成效？

2022年开年伊始，半导体行业就迎来了巨头并购，NVIDIA以660亿美元收购ARM以失败告终，AMD以350亿美元收购了赛灵思（Xilinx），而英特尔则是以54亿美元收购Tower半导体。短期内世界半导体格局基本稳定，收购潮的结束，对中国的半导体行业带来了什么样的机遇和阻碍呢？

现在市场上用到的几乎所有产品，都会直接或间接地用到芯片以及传感器，中低端芯片都能找到国产的选择，即使不能完全替代国外进口，国内厂商生产的产品也有六七分功能，同质化比较严重。

拿 汽车 芯片来说，一般分为三大类，MCU、IGBT、模拟芯片，车规芯片，需要的是“可靠”“安全”，其中缺口最大的是MCU芯片，传统燃油 汽车 整车需要400-800颗芯片，而有自动驾驶、辅助驾驶能力的新能源 汽车 ，还会有ADAS辅助类芯片、MEMS芯片、毫米波雷达激光雷达等，整车芯片数量从1000-2000颗不等，传感器也有50-200颗

“现在能说自己解决芯片困境的半导体厂商， 100%是骗子 ，即使他已经生产出来了模型”——上海某芯片研究院副院长告诉笔者。（下简称陈工）

陈工对笔者说到，“目前国内半导体行业情况有点类似国内相机发展的早期，当时几乎每个省都在造相机，比如上海的海鸥牌相机、北京的蓝天牌相机、广东的珠江牌相机……百花齐放百家争鸣，漫长又短暂的30年过去，百花齐放的局面没有带来研发高端相机所必须的高折射和底色散晶片制造技术经验，对比同期国外市场相机产品，更是落后了一大截。

我父亲是从国外留学归来的，他告诉我，当时我们最先进的相机，还不如国外一些基础的民用相机。时至今日，当年的几十个相机品牌，现在也只有一两个还在生产技术要求不高的工业相机，完全退出了民用相机市场”。但我父亲仍然购买了海鸥相机，现在还放在我父亲的家里。

你看看你现在拿的相机，都是日本的。（笔者所使用的是佳能 EOS 5D Mark Ⅳ）

半导体行业也是一样，凭借热情和热钱，是不能解决问题的，只能让投机者和骗子的荷包满满，让外界对我们的看法充满怀疑。自汉芯事件以来，全国各地也有大大小小的芯片项目上马，接近二十年时间，市场形成了四个不同的位面，潜心研究派，后起之秀派、苟延残喘派、骗融资补贴派。

“内卷没有卷出成效”，美国有成熟的技术但本土缺乏完整的产业链，中国本土有完整的产业链但缺乏成熟的技术。

芯片的生产流程可以分为设计、制造和封测三大环节，很多企业其实只参与其中的某一个环节。比如像华为、高通、联发科等企业只参与设计环节，台积电、中芯国际等企业只参与制造环节，日月光、长电 科技 等企业只参与封测环节。

半导体产业链大致分为四大类：原材料、设计、制造、封装，中国是半导体重要原材料硅和镓的出口大国，属于产业链的最上游，但在整个产业链中，获取的利润仅不到8%，而最终经由中国出口材料生产出来的半导体产品，有接近三分之一被中国企业买了回去。这意味着中国既是低成本卖家，也是高成本买家。

随着国际局势的风云变幻，一些顶级半导体生产商，离开中国和亚洲，将会产业回流美国本土，随之带来的就是用工材料价格增长，届时所生产的产品售价也会增长，中国进口半导体产品的费用也会成水涨船高。

2014年工信部就正式公布《国家集成电路产业发展推进纲要》，该纲要的核心内容是：到2030年，半导体产业链的主要环节达到国际先进水平，一批中国企业进入国际第一梯队。不完全统计，2014年至今，国内约有1500亿美元给半导体行业，和美国520亿美元投资的《美国半导体生产激励法案》都通不过，卡在国会审议相比，我们国家支持半导体发展的决心，是更强烈的。

而人才方面我国IC领域的高端人才一方面是由政府官员构成，有一定的行业管理经验和战略高度，能够熟悉政策和市场；另一方面是由工程师组成，这类人才技术能力不差，但是缺乏商业 *** 盘的经验。但一家企业是否能走得长远，基本都取决于创始人的能力和素质。

但，投资人无数，骗子不够用了。

来受国际格局以及资本入场，外加国产替代化政策的影响，半导体行业全产业链的公司近几年如雨后春笋般出现，有的公司刚刚注册，甚至只有办公场地没有研发生产设备，仅凭着一份商业计划书就有投资机构找上门来要求投资，最多一天能见七八波投资人，并且都是数百万上千万乃至过亿量级。

他们不懂半导体，甚至不懂人。

泉州 科技 局某工作人员说：我们泉州市，包括整个福建，都想着产业升级，从制造业转向“智造”，外地公司我研究探访了不少，各种半导体企业剪彩也剪了不少。有些企业，真心实意也有能力研发芯片，但明珠蒙尘，他们没有被发现，没有拿到投资，哪怕一点点，他们也没有足够的生命力搬迁到我们这里来。

但我深刻体会到， 半导体公司不是开饭店的，半路出家的厨子都能做菜，还敢说自己是八大菜系。

我们洛江就有一家西人马，已经很多年了，补贴年年要，融资年年拿，税务减免他们也是第一，国外人才也时不时地引进，但就是没见过这家企业有正常经营的样子。领导也很头疼，但碍于某些原因，没有人敢对这家企业喊停。这家企业融资加补贴在一起也有几十个亿了，他们这种乱搞的模式是我工作二十年以来第一次见。刚开始的时候有些其他部门的领导听说有人要在我们这里搞半导体企业，那时风光无两，要地给地，要钱给钱，要人给人，成为了政绩，成为了面子工程。

聂泳忠这个人让我们很头疼。

“厨子做完的菜都有人觉得不合口味倒掉，可半导体企业做完的芯片传感器良品率不行也扔掉吗？”

看着政府投资就这么打了水漂，我除了心痛，只能深感无力，如今我们才是弱势群体，西人马创始人大不了一跑了之，回到家乡，或者跑去其他城市再骗一波钱，又可以卷土重来，而我们不行。

花蜜吸引蜜蜂，也引来了苍蝇

“融资的人越来越多，新面孔也越来越多，水分也越来越多”，比如武汉弘芯最初的几个攒局人全无半导体从业背景、甚至大多是大专学历。也有一些所谓“海归”，在外企从事芯片技术研发工作，镀了几年金，出道说将中国的芯片技术带领到国际领先水平，喊着要创办中国最大的IDM（芯片设计生产制造）公司，成为中国的苹果、谷歌、特斯拉。

而真正要改变现状的人，还在实验室废寝忘食，他们想赢，他们想突破国外的技术封锁，他们用最质朴的行动去呈现自己的力量，笔者有一次请一位从事国产EDA工具设计的朋友吃饭，他认真想了一下，我们多努力一些，下游就轻松一些，然后他顿了顿说：我们就像设计足球的，但是不想自己设计出来足球，被中国男足那样的滥竽充数的人踢。我们想做芯片，可有人在用心骗，这让我挺寒心的。“摩尔定律”可能失效，而“庞氏骗局”与日俱增。

2021年以来半导体整个行业从上游材料到终端产品，均不同幅度地上涨了5%~15%，车载半导体的短缺，Pc硬件的延期交付成为了世界性话题。这也导致了今年大把的芯片公司都面临业务调整、高管离职、大规模裁员、融资困难、股价持续下跌、流片失败、产品落地困难等问题。芯片经历了概念炒作、泡沫破灭、修正预期和改进问题。有人担忧芯片的未来，也有人坚定看好。

“xx将在某地投资x亿元兴建芯片产业园”

“打造中国最大的xx类型公司，赋能行业”

“芯片企业xxx的产品填补市场空白”

类似的话术，在网络一搜索，有上千万条，但若要加以深究，就会发现这些口号喊得震天响的企业，往往是即将暴雷的企业。据外媒报道，工信部此前发布的一项计划，未来五年计划至少投资1.4万亿美元用于人工智能开发、数据中心建设、移动通信和半导体项目。

科学从来不信任权威，从来都是去伪存真，技术和思想也是有时效性的，但有一点肯定的是，只有在半导体行业浸淫越久，经验才越丰富。美欧日韩中多国大力保障自身供应链安全的今天，先进制程代工江湖的划分，决定了谁能够在未来供应链中掌握主动权。同时，先进制程的研发和产线投入正越来越大，我们想要缩短甚至抹平差距。需要更多一超多强的人才，而不是想要标新立异的小丑。

请多给努力的人一些支持，也请多给骗子一些惩罚。

海思麒麟芯片成为了绝唱，但是任正非依然表态，华为不会放弃海思半导体部门。

地平线官宣征程系列芯片发售，给车企带来一丝曙光。

Figma对大疆公司禁用，不妨碍大疆使用国产EDA替代。

比亚迪车规芯片也有陆续的技术性突破，并批量出货。

……

中国还有那么多努力的人在破局

中国也有很多骗子即将露馅

南京德科码半导体 科技 ，2015年成立，投资200亿，号称要做中国第一家IDM企业，2020年破产，欠薪欠款欠税。

成都格芯半导体晶圆厂，2017年成立，投资近700亿，发誓要成为大陆的“台积电”，2020年停工，遣散所有员工。

陕西坤同柔性半导体，2018年成立，投资超400亿，要成为世界第一的柔性半导体厂商，2020年停工停薪停产。

武汉弘芯半导体，2017年成立，投资超1280亿，购买ASML光刻机，请来行业巨擘蒋尚义，光刻机和配套设备买来后，甚至都未曾调试，2021年就遣散所有员工，项目烂尾。

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