日本研究人员开发出一种室内LED无线供电系统，该系统结合自适应光学技术和人工智能引导的光束控制，可在昼夜条件下为最远5米距离内的物联网设备提供电力。该光学无线供电（OWPT）系统通过维持高度聚焦的LED光束实现远距离能量传输，并能精确将光线导向多个光伏接收器，即使在光照条件变化导致光学跟踪中断、功率输出下降的情况下仍可稳定运行。
东京科学研究所首席研究员宫本富之教授指出，相比目前更常见的激光式无线供电方案，LED方案在室内应用中更具安全性。“LED较低的辐射强度与功率密度使其更容易满足光学安全规范要求，”他在接受《EE Times》采访时表示，“此外，LED成本相对低廉、使用寿命长，且易于集成到类似照明模块的结构中。”
宫本教授还表示，该OWPT系统有望成为建筑内安全、可持续物联网基础设施的关键组成部分：“这是一种稳定且多功能的无线供电解决方案，其最早可能的应用场景包括工厂、农场及智能建筑中的室内传感器网络，这些场景对供电功率的需求通常不高。”
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当前，射频（RF）无线供电已在分布式物联网应用中得到采用，例如建筑与仓库内的低功耗传感器系统，有助于减少对电池和有线连接的依赖。然而，该技术仍面临效率低、传输距离短以及电磁干扰等问题。自由空间传播损耗会随距离增加而显著削弱接收端可用功率；同时，杂散电磁干扰也可能影响通信连接稳定性。
近年来，激光式OWPT技术逐渐兴起，用于实现更远距离的无线供电，已有系统成功实现数十米距离的能量传输。通过将能量集中于狭窄光束中，激光方案可在避免射频干扰的同时获得比RF更高的功率密度。但出于安全考量，其在室内部署仍存在较大障碍，这也促使业界转向探索基于LED的OWPT方案。
宫本团队早在2019年便首次提出LED供电方案，当时采用准直与聚焦光学元件实现了1米距离的高效光学功率传输。但如宫本所言，当传输距离延长时，LED光束发散严重，导致接收端光功率密度大幅下降；同时系统在不同光照环境下也难以稳定运行。最新推出的AI引导自适应光学系统有效解决了上述问题。
为克服功率衰减并拓展传输距离至1米以上，研究人员采用了双层自适应透镜结构：一层为焦距可调的液态透镜;另一层为固定成像透镜。该光束整形光学系统通过光线追踪仿真进行设计，旨在平衡LED光束收集效率、实际光斑尺寸与传输距离等关键参数。
“通过动态调节液态透镜焦距以抑制LED光束扩散……我们已成功验证了5米距离的有效功率传输，”宫本表示，“此外，在3米距离处接收到的光功率约为此前固定光学系统的8倍。”他还补充道，仿真结果表明LED光束理论上可保持聚焦状态达10米，尽管目前尚未在实验中实现这一距离。
为将高度聚焦的LED光束精准导向光伏接收器，系统采用由电机驱动的反射镜，并依据RGB-IR深度相机捕获的数据进行实时调整。该相机负责识别接收器位置与尺寸，从而确定光束指向；车载人工智能则基于单次目标检测卷积神经网络进一步提升识别精度。
为确保系统在黑暗环境中正常工作，研究人员在光伏接收器边缘加装反光膜——这类材料常见于交通标志与安全服装上——用以反射深度相机红外传感器发出的光，从而清晰勾勒出每个接收器轮廓。“反射图案具有高对比度，使得系统即便在房间照明关闭状态下也能准确定位光伏接收器，”宫本解释道。
实验测试结果表现良好：宫本团队在其实验室中布置了五个不同尺寸的光伏接收器，彼此间距2至4米，依次对其供电。该LED OWPT系统成功在明暗两种环境下定位并无缝切换各接收器，稳定实现5米距离内的高效能量传输。
“在光照条件下，中型与大型接收器最远可在5米处被识别；而在无光环境中，配备反光膜的接收器亦可稳定识别至约4米距离，”宫本表示。
但他同时强调：“我们的LED系统主要面向米级室内应用场景。若需实现数十米级传输或高功率需求，则激光系统更为实用。”
进一步优化仍有空间。据宫本介绍，当前整个光学系统效率略高于56%，研究团队计划将其提升至80%以上。潜在改进路径包括：采用更集中的LED光源，或在LED前端加装微透镜以减少光扩散、提高进入光束整形系统的光通量。此外，研究人员还希望量化液态透镜温度与其焦距之间的关系，进而引入热补偿机制，防止因焦距漂移导致的接收器跟踪精度下降。
“除提升透镜系统效率外，我们的下一步工作还包括增强识别鲁棒性、整合光学光源与电源电子部件，并评估长期可靠性，”宫本表示，“若能尽快找到产业合作伙伴共同推进产品集成与认证，我们便可迅速构建原型系统。”
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