モノのインターネットの普及を阻んでいるものは何でしょうか？電力
ラリー・アーンスタイン著
[編集者注:このゲスト投稿は、元Impinjのビジネスおよびマーケティング担当幹部で、現在はIntellectual Ventures Invention Science Fundの常駐起業家であるLarry Arnstein氏によるものです。]
ケーブル接続かバッテリーか？モノのインターネット（IoT）の成長は、この二つの不満な選択肢によって制限されています。ホテルの部屋のカードキーに電源を供給しているものは何だろうと考えたことはありませんか？それは、消耗して交換しなければならないバッテリーです。ほとんどのビデオ監視システムはケーブル接続で、携帯電話もバッテリーで駆動し、RFIDリーダーもケーブル接続で、ドローンもバッテリー寿命によって使用が制限されています。なぜスマートサーモスタットやドアベルがこれほど売れているのでしょうか？それは、電源が既に存在しているからです。電源をお見せいただければ、素晴らしいIoTアプリケーションをお見せします。
こうした制約がなければ、世界はどうなるか想像してみてください。もちろん、スマートフォンが常にフル充電されていれば誰もが嬉しいものですが、ワイヤレス給電はそれ以上の意味を持ちます。軽量でパワフルな芝刈り機や庭用工具が、ただ動くだけで、いつまでも空中にとどまることができる。どんなものにも、どこにでも取り付けられる産業用センサー、素早く簡単に設置できるセキュリティシステムなど、想像してみてください。IoTデバイスはあらゆるところに出現し、私たちがまだ想像もしていないような方法で私たちを助けてくれるでしょう。
現在、市場でワイヤレスで電力を供給する方法は、磁気誘導と電磁波の 2 種類があります。磁気誘導は、電動歯ブラシ、携帯電話の充電マット、コンロ、さらには自動車など、消費者に身近なアプリケーションで使用されています。電動歯ブラシのベース ユニットは、壁のコンセントを使用して、急速に変化する、または振動する磁場を発生させ、歯ブラシのハンドルに埋め込まれたバッテリー充電システムに電流を流します。エネルギーは、磁場によって空気中をベースからハンドルに伝達されます。WiTricity は、電気自動車の下に地面に置かれたパッドから数千ワットの電力を供給する磁気誘導方式を商品化しています。磁気誘導の基本的な制限は、磁場があまり遠くまで届かないことです。磁石で遊んだことのある人なら誰でも、磁石が互いにかなり近づくまで引力や反発力を感じにくいことを経験したことがあります。
一方、電波、マイクロ波、光波などの電磁波は、はるかに遠くまで届きます。RAIN RFIDはあまり知られていませんが、店舗やサプライチェーンにおける在庫追跡に広く採用されている技術です。RAIN RFIDは、リーダーデバイスから最大15メートル離れた対象物に電力を伝送するために電波を利用します。図1は、市販されている様々なワイヤレス給電製品の電力供給能力と範囲を示しています。高出力で長距離伝送が可能な製品が不足していることにご注目ください。このギャップを埋める可能性を秘めているのは電磁波だけですが、克服すべき現実的な課題がいくつかあります。
電磁波の主な問題は、広範囲に拡散する傾向があることです。これは、すべての人に信号を受信させたいラジオ局にとっては有利ですが、特定の場所に電力を供給するには不利です。シアトルのKUOWは、1日24時間365日、10万ワットの電力を空中に放射していますが、各リスナーのラジオに届く電力はそのごく一部に過ぎず、役に立つには到底足りません。数字に興味のある方のために説明すると、半径40マイル（約64キロメートル）に10万ワットを放射しても、1平方フィート（約44.5平方メートル）あたり100万分の1ワットにも満たない電力しか供給できません。比較すると、ヘアドライヤーは約1500ワット、現代の明るいLED電球はわずか14ワットしか消費しません。
電磁波を用いて無線経由でデバイスに使用可能な電力を供給するには、電力を集中させる必要があります。その方法は2つあります。レーザーと集束です。レーザーは、すべての波が同じ方向に進む光を生成します。レーザーをどの方向に向けても、エネルギーはそこへ向かいます。波は発散したり拡散したりしません。空気との相互作用による損失を除けば、送信機から発せられたすべてのエネルギーは同じ場所、おそらく受信機へと到達します。もう一つの方法は集束です。レンズや特殊設計のアンテナを用いることで、電磁波を任意の場所（焦点）に集束させ、そこから先は発散させることができます。虫眼鏡で葉に穴を開けたことがあるなら、この現象を経験したことがあるでしょう。移動中の遠距離受信機に電磁波を集束させる技術は、サイズ、範囲、効率の間で多くのトレードオフを伴う、現在も開発が進められている分野です。これらの取り組みが成功すれば、商用規模のワイヤレス電力供給の実現を阻む可能性のある2つの問題、干渉と安全性が残ることになります。
電磁波を通信に用いる場合、誰もがメッセージを伝えるために必要な電力を最小限に抑えようとします。通信に使用する電力が少ないほど、同時に多くの通信を行うことができます。一方、ワイヤレス電力伝送は、まさに電力を供給するためのものです。したがって、「可能な限り最小の電力」という原則は適用されません。幸いなことに、ディナーパーティーでは全員が比較的狭い周波数範囲で話したり聞いたりするため、多くの同時会話が困難ですが、電磁波は非常に広い範囲で作用します。受信機は、カーラジオのように、他の波がどれほど大きくても、不要な波を遮断することができます。長距離ワイヤレス電力伝送は、通信システムと共存可能です。
安全性は最終的な考慮事項です。私たちは常に電磁波にさらされています。無線、可視光線、そしてWi-Fiルーターや電子レンジから発せられるマイクロ波などです。強い可視光線、特に可視光線に近い紫外線への曝露に伴う危険性はよく知られています。しかし、電波やマイクロ波はエネルギーレベルが低いため、紫外線やX線のような高エネルギー波のような損傷を引き起こすことはありません。しかし、高濃度の電波やマイクロ波は、吸収された場所での温熱作用によって組織に間接的な損傷を引き起こす可能性があります。送信機と受信機の間にある障害物を迅速に検知し、対応できるシステムがあれば、高出力で長距離のシステムを安全に広く利用できるようになるでしょう。
FCCは、無線およびマイクロ波の通信における干渉と安全性の規制を担当する政府機関です。FDAは、光への曝露を規制する機関です。ワイヤレス電力技術の商用化を目指す企業は、厳格な曝露制限を維持するこれら2つの機関のいずれかの基準を満たす必要があります。大型バッテリーやケーブルの束縛から解放された人々が、どんな素晴らしいことを成し遂げるかは想像に難くありませんが、実際にそうなった時には、きっと驚くことでしょう。モノのインターネット（IoT）をワイヤレス電力の世界に発展させることで得られる経済的メリットと生活の質の向上は、民間投資と必要な規制の適応を促すほど魅力的なのでしょうか？製品開発と規制遵守において進歩を遂げているEnergous、WiCharge、Ossiaに聞いてみてください。
