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《物聯網發展趨勢展示內容》研究報告:(二)物聯網技術

作者:本站收錄
來源:ntust
日期:2017-08-25 09:02:26
摘要:想象一下在一個世界里,數十億個對象可以感覺、溝通和分享訊息,它們都可以在公共或私有網絡協議(IP)網絡相互連接。

  第一節 介紹

  物聯網描述網絡的成長狀態,能夠讓物體(例如:對象、環境、交通工具或衣服……等)相互傳達之間的相關信息。例如設備(M2M:機器對機器)就是整合網絡的一部分。

  圖 2.1 物聯網技術和通信

  第二節 邁向更聰明的網絡

  想象一下在一個世界里,數十億個對象可以感覺、溝通和分享訊息,它們都可以在公共或私有網絡協議(IP)網絡相互連接。 這些相互關聯的對象經常地將數據收集、分析和使用,以采取移動并提供豐富智能的規劃、管理和決策。 這是物聯網(IoT)的世界。 物聯網的概念是在 1999 年被射頻識別(RFID)開發團體中的一員所創造的,它最近因為移動設備的成長、嵌入式和無遠弗屆的溝通、云端運算及數據分析而變得更切合現實世界。

  此后,許多有遠見的人抓住了物聯網這個詞,認為它是一個很普遍的概念,尤其是日常生活中的物體,它們不論溝通方法(不論是否通過 RFID、無線網絡、廣域網或其他方式)通過網絡而變得可讀的、可識別的、可定位的、可尋址的和/或控制。日常的物體不僅包括電子設備、高技術開發的產品,如車輛和設備,但是我們并不只局限在電子設備,如食品和衣物。 舉例說明物聯網里面的對象包括:人、 位置(對象的)、 時間訊息(對象的)、 條件(對象的)。現實世界中的這些對象應無縫地整合到虛擬世界中,實現隨時隨地的連接。 在2010,連接到網絡的對象和設備的數量約為 125 億。 思科預測,因為每一個人擁有更多的智能設備,在 2015 年物聯網的對象數量將倍增至 250 億,更進一步地,在 2020 年預計數量將會到達 500 億(見圖 2.2)。

  圖 2.2,在 2020 年連接設備的數量 (來源:Cisco IBSG, April 2011)

  第三節 技術的發展趨勢

  一些技術的發展趨勢將有助于讓物聯網成形。 這里有七個確定的宏觀趨勢:RFID設備的小型化技術的進步、第六版的網絡協議(IPv6)、改善溝通的吞吐量和延遲、實時分析、采用云端技術和安全性。

  第四節 可穿戴技術及設備

  可穿戴設備特別指的是被戴在身上、附著于或嵌入在衣服或配件上的移動電子設備。 這些微電腦和傳感器可以顯示、處理或收集訊息,并具有無線通信能力。 這是過去計算周期的邏輯延伸,從桌面計算機到筆記本電腦再到最近平板計算機和智能手機,每個設備變得個性化及攜帶方便。 可穿戴設備是物聯網一個很好的例子。

  分析傳感器是物聯網(IoT)計算周期的延伸:想象你的手腕上有一個物聯網庫,來做以下的邏輯延伸:

  一、 個人資料收集:穿戴式設備收集個人生理數據-活動、健康和地點-關于一個能影響行為而且被產業使用來帶出商務價值的個體。

  二、 基于行為的零售促銷:零售商可以更好地了解顧客如何花費時間在他們的商店,并提供有針對性的優惠券或有關產品的信息。

  三、 訂制化汽車保險:汽車保險公司可以根據影響顧客安全的消費行為來訂定保費。

  四、 藥物監測:制藥公司能改善處方填充率并且醫生可以更好地監視藥丸的攝取。

  五、 工廠程序和效率監視:制造業可以監控員工的工作效率,并改善流程。

  六、 信用卡安全性和效率:信用卡發卡機構可以減少欺詐行為,同時也增加使用量、客戶滿意度。

  穿戴式設備讓付款變得更有趣,它可以明顯地減少交易時間,不必再從口袋拿出皮夾來付款而是用智能手機,而且不需要用簽名來完成交易手續。 我們認為這是一個在手機上更方便的體驗與技術。 重要的是,易用性提高了使用比例,這意味著商家、卡的網絡、發卡機構和像 Apple Pay 的支付平臺可能全部獲利。

  下圖是 2012 - 2017 年穿戴式設備的銷售市場。

  圖2.4 穿戴式設備市場 

  全球電子穿戴式設備市場可以劃分為五個類別。頭戴式:包括頭盔產品和視覺輔助。頸部設備:具有環和項鏈的產品,用珠寶等裝飾掩蓋電子設備。手臂穿戴類:最蓬勃發展的類別,擁有多樣化的產品,腕帶、智能手表、戒指、臂章……等。身體佩戴設備:包括智能服飾及監控背部或脊椎的設備。 而最后一類是關于腳部穿戴設備。

  第五節 MEMS 技術

  微機電系統,簡稱 MEMS,其最一般的形式可以定義為利用微細加工技術制造小型化的機械和機電組件(即設備和結構)的一種技術。 MEMS 設備的臨界實物尺寸可以從遠低于一微米光譜的下端一路變化到幾個毫米。 同樣地,MEMS 設備的類型可以在集成微電子控制之下從相對簡單具有非移動式組件的結構,到復雜具有多種移動式組件的機電系統的結構變化。MEMS 其中一個標準是,不論這些組件是否能夠移動,它們至少一些組件具有機械工能。 用于定義 MEMS 的術語因所處地區而有所不同。 在美國它們稱為“微機電系統”,而在其他地區被稱為“微系統技術”或“微機械加工設備”。

  而 MEMS 的功能組件是微型化結構、傳感器、致動器,以及微電子,最顯著的(也許是最有趣的)組件是微傳感器和微致動器。 微傳感器和微致動器被適當地分類為“換能器”,它被定義為轉換能量的設備。在微傳感器的情況下,該設備典型地將一個測量的機械信號轉換成電子信號。

  圖 2.6MEMS 組件

  在過去的幾十年中,MEMS 研究人員和開發者已經證實非常多微傳感器的幾乎每一個可能感測模式,包括溫度、壓力、慣性力、化學物種、磁場、輻射……等,值得注意的是,許多這些微機械加工的傳感器的性能已證明超過那些他們的宏觀同行,也就是微機械版本,例如,一個壓力傳感器,通常優于采用最精確的宏觀級加工技術制成的壓力傳感器。 不僅是 MEMS 設備性能優秀,而且它們的生產的方法是利用在集成電路工業中使用的同一批制造技術 –它可以降低單位設備的生產成本,以及許多其他的益處。 因此,就有可能在相對較低的成本水平下,達到恒星設備的性能。 不意外地,以硅為基底的離散微傳感器很快地被商業開發并且這些設備將在市場上持續快速增長。

  最近,微機電系統的研究和開發團體已經發表了一些微致動器,包括:微型閥的氣體和液體流量控制;光學開關和鏡像復位向或調節光束;用于顯示器獨立控制微型鏡數組。微共振器的許多不同的應用,微型泵浦開發正流體壓力、微翼在翼型件上調節氣流,以及許多其他的應用。 出人意料的是,盡管這些微驅動器非常小,它們經常會導致在大層面的影響;也就是說,這些微小的致動器可以執行的機械能力遠大于它們的大小。 舉例來說,研究人員在飛機的機翼前緣放置小的微致動器,他們已經能夠僅使用這些微型化的設備來操縱飛機。

  圖 2.7MEMS 組件

  以下是應用于智能手機的 MEMS 組件。

  圖 2.8MEMS 組件

  第六節 基于 MEMS 傳感器的小型化技術

  微機電系統(MEMS)上的無線感測網絡感測節點微型化技術在近幾年有卓越的進步。MEMS 的核心技術是實現微電子技術、微型加工技術和包裝技術的結合。 基于微電子和微型加工技術,可以生產不同二維或三維層級的敏感性結構,例如微型感應組件。這些和電源供給和訊號調節電路的微型傳感器可以整合并封裝成為一個微型 MEMS 傳感器。

  圖 2.9 硬件無線感測網絡感測結點的結構

  目前,在市場已經有許多微型 MEMS 傳感器的類型,可以用于測量各種物理、化學和生物量訊號,包括位移、速度、加速度、壓力、張力、拉力、聲音、光、電、磁、熱、pH 值……等。在 2003 年,美國加州大學伯克利分校(UCB)的研究人員開發了一個配有微傳感器的 WSN 傳感器節點(mote)。該MEMS 感應模塊的實際長寬只有 2.8 毫米、2.1 毫米。

  圖 2.10 設備下的 MEMS 半導體市場成長 2 倍,2006 年至 2017 年

  第七節 設備小型化

  物聯網利用科技將實體物品連接到網絡。電子組件的大小(和費用)需要支持其功能性,例如感應、追蹤和控制機制,在廣泛采用 物聯網的各種行業應用中扮演了重要的角色。在半導體行業的進展一直很激烈,業界一直保持每兩年加倍摩爾定律的晶體管密度。

  于 2000 年,技術發展狀態是 1000 納米(nm),但 2010 至 2011 年,該工業轉移到商用系統級芯片(SoC)芯片解決方案,利用 28 至 45 納米光刻技術實現了 2-3 芯片組件,可以整合能處理數字訊號的無線電收發器、基頻微芯片或圖形加速器。這里有許多應用,例如遠程醫療和環境監測需要這些合成芯片組,不僅是因為體積小,并且可隱藏和充當”小型”計算機來感應實體物品。 幸運的是,多年來設備小型化已快速實現,且每個芯片的晶體管數量也呈倍數增加。

  現今,晶元芯片制造技術是由平面金屬氧化物半導體場效應晶體(MOSFET)技術主要在推動。 在芯片設計和結構等領域的進展,已經允許半導體工業降低生產晶體管的尺寸、密度和成本。像光刻、度量衡學和納米技術被使用(和探索)來大幅提高單芯片上晶體管的數量。 例如,半導體制造過程也從 2010 年的 32納米節點提升到 2011 年的 22 納米節點,2013 的 16 納米到 2015 年邁向 11 納米(見圖 2.3)。 Intel9 在 2012 年 4 月正式推出,是全球第一款商用微處理器-以 22 納米與 3D 三柵極晶體管制程制造的版本。這種 22 納米芯片比之前的晶體管還能夠適應超過 29 億個晶體管,能提升 37%性能、降低超過 50%的功耗。

  圖 2.12 半導體設備制造的發展趨勢

  正如芯片的尺寸越來越小,感應組件的成本也下降到變得更實惠。 Gartner公司預測,大多數科技組件,如收音機、無線網絡、傳感器和全球定位系統(GPS),將在 2010 年至 2015 年,成本下降 15%至 45%(見圖 2.5)。為了說明這一點,我們用較便宜的溫度傳感器舉例,由于易腐產品橫跨了供應鏈,冷鏈零售商會考慮部署多個溫度傳感器來監測他們的易腐產品。

  隨著尺寸的縮小和技術組件成本的下降,企業未來一到三年將在推行物聯網中,看到更小的成本以及更大的機會。

  一、無線射頻識別(RFID)

  無線射頻識別(RFID)技術對 物聯網特別的重要,因為物聯網 在產業中第一個實現的應用是使用 RFID 技術來追蹤與監控在物流和供應鏈行業中的商品。 RFID頻段范圍從 125 千赫(低頻/ LF)到高達 5.8 GHz 的/超高頻(SHF),此標簽至少有三個基本組件:

  (一) 芯片包含有關對象的信息并經由無線空中媒介將數據傳送到讀取器。

  (二) 天線允許訊息從讀取器傳輸。

  (三) 包裝包住芯片和天線,并允許卷標附著到物體進行識別。

  現今,一維(ID)條形碼在供應鏈和其他行業有明顯的貢獻,如資產管理。 二維(2D)條形碼提供了更豐富的數據來源,但是打印技術卻沒有跟上時代。 RFID能在其環境中永久地搜集和處理數據,證明為產品鑒定的下一個技術。 許多垂直行業,特別是在物流和供應鏈,持續使用 RFID 作為標簽解決方案,以提高他們的追蹤和監測過程。

  放眼未來,RFID 在提供數據流具有潛力,能實時提供特定項目的數據給信息系統,并且具有靈活性來放置在極小的空間和位置上,例如線圈芯片(coil-on-chip)的技術。 隨著技術的發展,像是芯片設計、能源使用和保存、射頻技術和制造、RFID 新的使用方式應用將會出現,如自動抄表,遠程家庭自動化和實時車輛追蹤。

  二、互聯網通訊協議第 6 版(IPv6)

  IPv4 地址有效地按照業界公認的指標釋出,在現有框架下的最后地址分配已經完成,引發網絡地址指派機構(IANA)分配最后五個 IPv4/8 區段。 隨著 IANA的 IPv4 地址用盡,沒有其余的 IPv4 地址能被分配到提供地址給組織的區域注冊機構。

  IPv6 是用來取代 IPv4 的下一個互聯網地址協議。在 IPv6 中,大約有 3.4×1038(340 trillion trilliontrillion)個獨立的 IPv6 地址,讓網絡繼續發展及創新。 由于連接的設備(500 億)的數量龐大,IPv6 可能會被用來代表所有這些設備(和系統),消除網絡地址轉換(NAT)的需要和促進終端到終端的連接與控制。 這些功能提供實體對象無縫整合到網絡世界。

  三、增加訊息吞吐量和降低延遲

  物聯網仰賴一個普遍的通訊網絡讓“任何東西,任何地點”連接發生。 多年來,網絡經營者為了現有的基地臺、收發器和互連設施,提高了他們的基礎設備來支持數據的容量和加強網絡的吞吐量。 借助加入通用封包無線服務技術(GPRS),全球移動通訊通話系統(GSM) 經營者已經為了 GSM 增強數據率演進(EDGE)大幅度地提高數據服務。現今,全球大多數的營運商正在部屬高速封包存取(HSPA)技術的通用移動通訊系統(UMTS)來提高吞吐量和降低延遲。HSPA 一班被稱作”3G”,顯示出我們的力量和永遠在線的潛力,任何地點的網絡連接已經引發一波大規模跨越設備和應用的產業創新。

  隨著科技趨勢轉移導向提供更快的數據傳輸率和更低的延遲連接,第三代合作伙伴計劃(3GPP)標準機構制訂了一系列的改進來強化 HSPA 演進,也被稱作“HSPA+”。 HSPA 演進代表寬帶分碼多重存取(WCDMA)的一個合理的發展,并且躍升到稱為 3GPP 長期演進技術(LTE)的全新 3GPP 無線電平臺。 LTE 提供了許多明顯的優點,例如增加的性能屬性、高峰值數據率,低延遲和利用無線頻譜的效率。

  四、云端運算

  物聯網連接數十億個設備和傳感器來創造新的創新應用。為了支持這些應用,一個可靠的、有彈性的且靈敏的平臺是必要的。云端運算是支持物聯網中的一個有利的平臺。云端運算是一種能協調多種技術能力,例如多租戶、自動化配置和使用運算,同時依賴網絡和其他連接技術,像是更豐富的網頁瀏覽器實現運算效用愿景的架構。 云端運算可以看到逐漸被采用,而云端運算有三種常見云端服務模式,即軟件即服務(SaaS)、平臺即服務(PaaS)和提供基礎架構的云端服務(IaaS)。 舉例來說,在 IaaS 硬件的使用,像是傳感器和致動器,可以提供給客戶云端資源,客戶可以經由云端資源來設置任意的服務和管理硬件。 PaaS可以提供一個存取物聯網 數據和制定物聯網應用程序(或主機獲取的物聯網的應用程序)的平臺。 SaaS 可以在 PaaS 方案上供應提供者擁有自己的 SaaS 平臺給特定的物聯網領域。 像 Axeda18、ThingWorx19、DeviceWise20 這些公司已經提供了軟件開發平臺建造創新的 M2M 和物聯網的應用。

  第八節 技術展望

  物聯網 是層級架構,這些技術已被分為三組。第一組的技術影響設備、微處理器芯片:

  一、 低功耗傳感器電源和能源持續性;

  二、 在領域上傳感器的智能化;

  三、 芯片組的小型化;

  四、 無線傳感器網絡的傳感器連接。

  第二組包含支持網絡共享、處理能力和延遲問題的技術:

  一、 網絡共享技術,像是軟件定義的無線電和認知網絡;

  二、 解決能力和延遲問題的網絡技術,像是 LTE 和 LTE-A。

  第三組技術影響支持物聯網應用的管理服務:

  一、 智能市場決策技術,如上下文感知運算服務、預測分析、復雜事件處理和行為分析;

  二、 高速數據處理技術,如內存內運算和使用分析。

  第九節 傳感器連接和網絡

  一、三年內:

  (一)線圈芯片技術

  線圈芯片讓天線線圈制造在硅芯片的表面,可以借助無線射頻讀取器感應與互動。這樣的芯片通常測量近似為 2.5x2.5 毫米,可用在微小物體或在具有非常小的空間區域使用。芯片的制造是光刻技術,它因為有高度的精準度和可重復性能夠制造出非常小的結構。

  現今,線圈芯片已經在某些 RFID 卷標和專門的應用程序中實現,如磁振造影。當與傳統的和天線線圈的比較,線圈芯片的RFID 卷標實現了更小的空間且很少發生故障,因為缺乏天線線圈和 IC 芯片之間的外部焊接連接點的劣化。 RFID 線圈芯片有基本的存儲量,從 128 bytes 到 4 kilobytes 且無位移的部分,因此它可以承受惡劣的環境包括在濕和干的條件下。

  在物聯網上,線圈芯片的技術是特別有用的,因為它能夠用小線圈芯片上傳感器對小型的實物進行標記并使用應用程序進行監控。其中一些實物可能是活的東西,如鳥類或昆蟲,可以透過氣候來監測牠們的遷徙模式。 Maxell–在全球擁有記憶和存儲技術的領導地位,已經發展線圈芯片具有 1kbit 存儲容量的讀寫功能(的 RFID 標簽。這種微小的 2.5x2.5 毫米 RFID 芯片允許數據被記錄、刪除并重新紀錄以及添加新的數據直到存儲容量填滿。這使得線圈芯片在項目生命周期進行長期數據管理的時候為一個不錯的選擇。芯片上的數據可以被刪除和重新使用,或處理后保存歸檔。

  (二)低功耗設備和電池

  功耗為傳感器的最大挑戰。現今傳感器需要能夠維持較長的電池壽命,以減少硬件維護和防止通訊失敗,特別像在室外。在許多部署的情況下,為了延長在戶外的傳感器的可用性,大型電池必須連接到傳感器,而這樣使得該傳感器設備變得龐大且笨重。

  物聯網支持傳感器普遍地連接和需要它們彼此互動,即同時充當標簽和讀取器。為了支持這樣的連接和通訊,低功耗芯片組的設計和使用將會為未來傳感器的功耗產生顯著的影響和思考。超低功耗設計的芯片組電路是現正持續研究的領域,具有從單閘板移動到多柵極晶體管和碳納米管設計的技術。

  (三)ZigBee(無線傳感器網絡的情況下使用)

  無線傳感器網絡(WSN)或無處不在的傳感器網絡(USN)由傳感器直接互相通訊,以形成網狀網絡的能力(通常稱為節點)定義。在網絡中的傳感器可以充當讀取器且經常移動。如果它們無意中移動時,它們可以電子化彌補,無需人工干預,即它們是“自動校準”。一個節點可以由大量的電子硬件所組成,一個傳感器、一個致動器、一個微處理器、一個無線電和電源,有些可能來自不同的給定系統中,形成了“異構網絡”。

  IEEE 802.15.4 無線技術是為了提供無線感應網絡吞吐量和延遲需求的應用的短程通訊息統。802.15.4 無線技術的主要特點是透過設備的支持,短距離傳輸、低功耗和低成本。基于 IEEE 802.15.4,大多數無線傳感器網絡使用無線網狀技術,有時被稱為 ZigBee。ZigBee 是一種規范,是一套對個人局域網絡(PAN)基于 IEEE 802 標準的小型、低功率數字無線電的高階通訊協議。使用 ZigBee協議,傳感器能夠以低功率、2.4GHz 頻段 250kbps 可靠的比特率傳輸相互溝通和安全的數據傳輸,即 128AES+安全。 ZigBee 無線電設計對低成本生產和小于 100 微米的傳輸范圍進行了優化。

  無線傳感器網絡在支持多種物聯網應用上扮演了關鍵的角色。許多智能的物體,具有不同的通訊、訊息和處理能力,一個可靠的網絡在當中提供無縫的互動為當務之急。由于需要無縫連接物體和人溝通的大范圍,可擴展性是 IoT 的另一項議題。最后,當對電池供電的智能物體進行處理,低功率通訊成為一個重要的面向,以確保這些對象持續連接。無線傳感器網絡的特性,支持這些網絡的要求。無線傳感器網絡部署的一些例子,是在醫療衛生、環境監測和智能建筑。

  二、三至五年:

  (一)適性化學習分析

  適性化學習分析是一系列的分析算法,它是由傳感器和移動設備執行使實時數據智能化分析。 該算法根據出現的情況和可用的計算資源調整數據流處理參數,例如電池的電量和可用的內存,來做出最佳決策或建議。例如,在智慧型房間的情況下,信息可以被用來解釋狀況,而不是從光、噪音和動作單獨的感應監測環境,諸如“開會中”、”展示“或”研究”,能夠更好的了解環境。它還提供了環境的一個更抽象的視野,而不是把重心集中在個別環境區塊。 根據感測設備的計算資源的優化,這樣的訊息輸出被定制,且減少了需要被發送到后端系統用于分析處理的數據量。

  (二)IPv6 和 6LoWPAN

  IPv6 是用于取代其正式在 2011 年 2 月釋出(亞太網絡訊息中心,APNIC)IPv4 地址 128-bit 的互聯網地址方案。 在 IPv6 中,大約有 3.4×1038 獨立的 IPv6地址,在可預見的未來有足夠的地址空間來容納云端化的設備。IPv6 允許網絡自動配置,讓設備容易進行管理且一旦他們在網絡上將自動的配置。 IPv6 的可以借助一個分級的方式分配地址空間,帶來地址有效的分配和管理。 例如,分配一個 IPv6 地址給組織,可以根據網絡架構拓撲進一步分配。另外,IPv6 地址可以根據一個國家的地理位置指派,即東、西、南、北,以及更進一步基于街道和建筑層級來分配。借助 IPv6 地址有效的分配,它能夠有更好的可管理性、對設備是別的可用性和易用性。

  6LoWPAN 是“IPv6 低功率無線個人局域網絡”的英文縮寫。這是一個通訊標準,它允許低功耗設備借助 IPv6 進行溝通和交換數據。使用基于 IP 連接形成感應存取網絡有許多好處:

  1. IP 容易連接到其它 IP 網絡而不需要轉譯網關或代理服務器。

  2. IP 網絡允許現有網絡基礎設施的使用。

  3. IP 被證明可用且有范圍,SocketAPI 是廣為人知且被廣泛使用的。

  4. IP 是公開且自由的,借助標準,處理流程和提供給任何人的文件。 它鼓勵創新且很好理解。

  5. 6LoWPAN 在 IPv6 協議的工作原理是基于 IEEE 802.15.4 標準。 因此,它具有低成本、低速率和低功率的部署特性。底層采 IEEE802.15.4 的物理(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層標準,并使用 IPv6 作為聯網技術。該協議的參考模型迭層如下。

  物聯網應用需要雙向、低功率的通訊網絡,從使用 6LoWPAN 受益。例如,在智能電網系統,發電廠可以傳輸電力和訊息到客戶端, 另一方面,通過雙向通訊,用戶還可以將訊息發送到電廠。透過雙向通訊,功率利用可以以更有效的方式來調整。 憑借其經濟性和實用性,6LoWPAN 展現了市場的顯著機會。

  三、五年以上:

  (一)納米技術

  納米技術是能夠從一發展到幾百納米設備的開發。在這個規模,納米機器被定義為最基本的功能單元,并整合成納米組件來執行簡單的任務,例如感應或致動。在數個納米機器的協調和訊息共享,都將在復雜性和經營范圍方面擴大個別設備的潛在應用。

  美國國家納米技術計劃用第一代納米結構來描述納米技術的四代發展,第一代是設計用來執行一項任務的材料。第二階段看到多任務活性納米結構的介紹,例如,致動器和傳感器。第三代,在 2010 年左右出現的,有成千上萬相互作用組件的功能納米系統。從現在到 2015 年會出現綜合納米系統,與系統內的分層系統功能來執行復雜的任務。

  隨著納米技術,未來傳感器的設計可以更小、耗電更少,并且比電流傳感器更靈敏。因此感應應用將享受的好處遠遠超出現有技術提供,例如 MEMS。在發電和存儲的區域,納米技術使用的納米材料,可以明顯降低能量存儲設備的大小,并增加了相同的設備能量密度。

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