无线电力传输技术.docx
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无线电力传输技术
无线电力传输技术
无线电力传输技术
人类追逐自由的本能，在现实面前屡屡受挫。
自从广泛使用电能以来，许多人都为了那些电器拖着的长长电线而绞尽脑汁，但无线供电却一直只能作为一个在前方远远招手的梦想。
现在，我们也许看到了一线曙光。
在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，IntelDeveloperForum）上，西雅图实验室的约书亚·史密斯（JoshuaR.Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。
他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。
大在《三体II·黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。
因为人们掌握了可控核聚变技术，可以提供极大丰富的能源，无线供电的损失在可接受围之，所以大部分电器都可以采用无线方式来供电，从电热杯一直到个人飞行器都是如此。
电像空气一样无处不在，人类再也不用受电线的拖累了。
正如书中所提到的那样，无线供电技术现在也已经出现了。
实际上，近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们现在生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。
也许不远的未来，我们还会看到远距离和室距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会变成一个历史名词。
好兆头
英特尔的这种无线供电技术，是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。
2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（MarinSoljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。
他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。
这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。
新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室距离的无线供电重新燃起了希望。
而它的关键在于“共振”。
科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。
我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。
无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：
两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。
在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。
根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。
这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。
最妙的就是这一点了。
当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。
这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。
在这项技术中，磁场的强度将不过和地球磁场强度相似，人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。
在2007年马林演示他的成果的时候，这项技术能够达到40%左右的效率。
这在某些场合是可以接受的，但是人们还想更进一步。
刚才我们提到的英特尔公司研究员们已经把传输效率提升到了75%，而马林小组最近声称，他们做到了90%。
这意味着，一年之间提高到原来的两倍以上！
虽然成效惊人，但改进空间也依然很大。
下一步，有望在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备置接收端的目标。
想象一下，这会对生活带来什么样的影响？
我们可以完全从需要的角度出发来摆放家用电器，不用再考虑附近是否有插座；我们在装修房间的时候不用再考虑如何布设电线，笔记本电脑和手机这样的小件电子设备永远显示电池充满，清扫机器人在房间里跑来跑去，不用过一会就去找地方充电……这一天也许很快就会来到。
市场上已经有了一些采用这种技术的原型产品，广泛使用也只是时间问题罢了。
第二基地
尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）的梦想——使用电磁波来远距离供电——也许很快就会变成现实。
早在1890年，这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法，最后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。
他想像广播一样，将电能传遍全球。
为此，在J.P.摩根的资助下，他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔（WardenclyffeTower）来实现这一构想，但最终被迫放弃。
虽然我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行，但是出于世界上各个国家的区隔，这种“天下”在短时间恐怕不会成为现实。
不过另一种远程无线供电方案可能会更容易实现一点。
加拿大科学家正计划制造一架无人飞机，飞行高度33千米，可以在空中连续飞行几个月。
这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机，本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。
微波是指那些频率在300MHz到300KMHz之间的电磁波，它的波长在1米到1毫米之间。
因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强，所以人们认为，使用微波来无线传递能量可能是最好的选择。
更何况，微波可以通过硅整流二极管天线转换成电能，转化效率可以高达95%以上——这样高的转化率已经可以让人满意了。
在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。
微波飞机通过微波接收天线接收能量，转换成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。
因为无需携带燃料和发动机，这种飞机的有效载荷将会大大提升。
其实早在1968年，美国航天工程师彼得·格拉泽（PeterGlaser）就已经更进一步，提出了空间太阳能发电（SSP，SpaceSolarPower）的概念。
他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。
这一设想，不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量，而是要把能量在三万多千米之外，从太空精确地射向地面接收站。
想象一个地球同步卫星。
它停留在赤道上空36，000千米的高度，太阳能电池阵列始终对太阳定向，微波发射天线则瞄准地面的接收天线。
这儿，不存在在地面接收太阳能所必然面临的照射时间、气候、重力等问题，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮挡时，最长停电时间也不过75分钟。
它每年有99%以上的时间把源源不断的太能转化为电能，效率将比地面上同样规模的太阳能电站高出十倍左右。
1977~1980年，美国宇航局和能源部共同出资，对空间太阳能发电的问题进行了概念研究，得出结论：
这种方式不存在不可克服的技术困难。
但是后来这个计划一度被锁进保险柜，原因在于耗资惊人。
目前把物品送上太空还是很花钱的，要在太空中组装一颗收集太阳能来发电的卫星，成本令人难以接受。
不过，随着地球上不可再生资源的逐渐消耗，这个计划又被摆上了桌面。
现在有几个能源消耗大国和能源匮乏的国家正在论证这种方案的可行性，并且开始了小规模实验，来验证在大气进行微波能量传递以及从太空向地面发射微波束的实际效果，而目前比较乐观的估计是，2010～2020年太阳能发电卫星就可以进入实用阶段了。
亲爱的，你需要电？
感迈克尔·法拉第（MichaelFaraday），这个英国人在1831年发现的电磁感应，带领我们进入了电气时代。
到了今天，谁不需要电？
法拉第的发现，也促进了近距离无线供电技术的发展。
最早的工业化近距离无线供电技术早在1885年就已经被实际应用了：
随便拆开一个家用变压器，我们就会看到变压器里会有两组导线缠在一个铁芯框架上，但它们彼此并没有直接相连。
不仅如此。
公共交通卡、一些学校的饭卡，还有二代，这些也都需要电。
在这些卡证中都有一块小小芯片，里面最少存储着一个唯一的编号。
这一小块芯片就像是我们的一条存或者一块硬盘，没有电的时候，它和一粒沙子没什么区别。
即使储存了很多信息，也没有办法传递出来。
这种卡证的供电原理与变压器的原理类似。
读卡机周围会形成一个快速变化的磁场，芯片进入这个磁场时，周围的线圈就会产生感应电压，激活芯片，并且把自己的编号通过线圈发射出去被读卡机接收。
读卡机会根据编号的不同而做出不同的反应，例如告诉你现在饭卡账户里还剩多少钱。
通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术，但会受到很多限制。
最主要的问题是，低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。
如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。
然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。
我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。
所以这种方式往往会应用在一些防水要求比较高的小家电上，例如某些电动牙刷和电动刮胡刀等。
人们也在尝试用电磁感应为手机这样的小型设备充电。
从2005年开始，市场上就已经有了一些无线充电器，但使用起来并不能算是很方便，充其量也只是减少了我们把手机插上变压器的麻烦而已。
有了室距离的无线供电设备，谁还需要这种东西呢？
这是多么美好的一天
我们经常会使用和风筝相关的比喻。
风筝飞得再高，也总会有一根线握在手里。
断线的风筝也许会一时飞得更高，但最后一定会坠落地面。
也许以后会改用遥控航模的比喻吧——没有线，却依然尽在掌握。
当可以在远距离、中等距离和近距离都广泛实现无线供电的时候，人类目前最常用的能量将会变得像空气一样随处可得。
无需再抱怨没有合适的充电器，不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。
我们可以把手持设备做得更小更薄，甚至可以容易地植入体。
在那时候，生活又是何等一幅模样？
没有人知道。
当终于可以解开电线的束缚时，我们会飞得更高，走得更远，远到超出想象。
正如每天呼吸空气而不自觉一样，我们终会把无处不在的无线电力当作一件自然而然的事情，却忘了仅仅在200年前，祖辈们还仅仅把电当成一种用来博人一笑的小小魔术。
也许有一天，我们会对我们的下一代谈起我们年轻的时候。
讲述中极尽描述从线缆束缚的无奈走到无线的自由这一过程。
会回味那些有电线的日子，不可避免地谈及那些因电线接头松动让所有工作成果化为一缕青烟的小插曲。
会怀念电池的质感，会怀念在抽屉里缠成一团的充电器的沉稳踏实。
也许还会一遍遍提起法拉第、麦克斯韦，以及特斯拉这些名字。
我们会像小时候的老师那样，循循善诱地提问：
“那么，电是从哪里来的呢？
”
也许，坐在对面的小孩，会像《三体II·黑暗森林》中那个两百年后的漂亮女护士一样，不以为然地说：
“电？
到处都有电啊。
”
为了这样轻率的答案而微笑吧，欣慰的是，他们，终于拥有了一个比我们更加宽广更加自如的世界。
无线电力传输技术：
创造未来空间神话
自17世纪人类发现如何发电后就用金属电线来四处传输电力，一直到今天供电网、高压线已遍布全球的角角落落。
生活中，大人们总少不了教导孩童“不要碰电源插口和裸露的电线”，想来那些高压电线更是给不少人留下过“恐惧”感的记忆。
而如今，无论是在工作还是生活中，越来越多的电器给我们带来极大的便捷，不知不觉中各种“理不清”的电源线、数据线带来的困扰也与日俱增——这样下去难道人间要“作茧自缚”？
不过，这些年的科技发展表明，在无线数据传输技术日益普及之时，科学家对无线电力传输（WirelessPowerTransmission,WPT）的研究也有了很大突破——从某种意义上来讲，无线电力传输也不是幻想——在未来的生活中摆脱那些纷乱的电源线也已成为可能。
最近有报道称，2008年8月的英特尔信息技术峰会（IDF：
IntelDeveloperForum）上演示了无线供电方式点亮一枚60W电灯泡（图1）。
该研究是由英特尔西雅图实验室JoshuaR.Smith等基于美国麻省理工学院（MIT：
MassachusettsInstituteofTechnology）马林•索尔贾希克（MarinSoljacic）的研究理论进行的，可以在1m距离隔空给60W灯泡提供电力，效率高达75%。
在2006年末有报道称MIT在无线电力传输技术上获得突破：
物理学助教授马林•索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置（图2），可以点亮相隔7英尺（约2.1m）远的60W电灯泡，能量效率可达到40％——有关容刊登在2007年6月7日的《Science》在线版《ScienceExpress》上。
这个“隔空点灯泡”实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注并进行了“GoodbyeWires”之类的广泛报道。
在2001年5月，国际无线电力传输技术会议在印度洋上的法属留尼汪岛（ReunionIsland,France）召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特（G.Pignolet），利用微波无线传输电能点亮40m外一个200W的灯泡。
其后，据研究者有关文章介绍2003年在岛上建造的10kW试验型微波输电装置（注：
有些国报道误作10万kW），已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村（Grand-Bassin）进行点对点无线供电。
无线电力传输这种特殊的供电方式，是人类的梦想之一。
世界上第一台交流电发电机的发明者尼古拉•特斯拉（NikolaTesla）在19世纪末就进行过无线电力传输的实验，但最终未能成功。
一百年后的今天，随着无源式RFID电子标签和各种非接触式无线充电（用于电动牙刷、剃须刀等低功率家电）技术的实用化，以及无线网络技术的大发展，无线电力传输已经引起人们的极大兴趣。
本世纪以来，能点亮灯泡的无线供电技术，毫无疑问也点亮和刷新了人们对“无线”未来生活的无限憧憬。
对于在空间实现无线电力传输/供电的形式，总起来看大致有三类：
第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输；第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁耦合”等形式中程传输；第三类是将电能以微波或激光形式远程传输——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用。
下面将举例简要介绍这些方面研究开发情况或相关信息，供读者参考。
短程无线供电技术
现在已经广泛应用的变压器是基于电磁感应原理来工作的：
由一个磁芯和二个线圈（初级线圈、次级线圈）组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。
现在已经商品化的非接触式充电系统，其电能发射端的线圈（连接电源）与接收端的线圈（在电子产品中），处于两个分离的装置中，电能通过感应线圈传送，这类似一个线圈间耦合不紧密的变压器。
最早使用变压器原理进行无线供电的产品是一些电动牙刷、电胡刀和无绳等，下面介绍一些相关产品及其构造或原理。
无接点充电插座
因电动牙刷难免经常接触到水，采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，利于整体水洗、清洁方便。
在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压整流后就可对牙刷部的充电电池充电。
苹果公司、摩托罗拉公司、LG以及Panasonic联手NTTDoCoMo都在开发各自的无线充电器。
而对用于手机的无接点充电器而言，只要在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈，便可实现无接点充电——这不仅将摆脱线缆的束缚而且还将消除接口差异的限制，因此无线充电器设计更加人性化并且减少资源浪费。
“免电池”无线鼠标
鼠标的工作需要电力支持，有线鼠标通过与电脑的连接线来获得电力，而无线鼠标一般采用电池供电。
电脑鼠标从易招致污垢的机械鼠标到无线光电鼠标，使用的舒适度已有很大提高。
而老牌鼠标厂家双飞燕公司从2004年开始推出的“免电池”无线鼠标（需要在专门配备的鼠标垫上操作）——这里的鼠标和配垫都有“奥秘”——两者部都安装了电磁感应线圈，鼠标垫通过连接电脑的USB接口即可获得电能，并由其感应线圈向鼠标的感应线圈输送电能，可以给鼠标进行无线供电并进行信号感应，这里也涉及到了人们常讲的“RFID（无线射频识别）”技术。
通用型无线供电“垫”
2003年英国剑桥SplashPower公司发明了无线充电（wirelessrechargingsystem）技术，也是根据电磁感应进行电力传输的，电能接收器“SplashModule”（厚不足1mm）可配置于充电终端——手机、笔记本电脑，电能发送器则配置成充电器，2005年初这种商业化的无线充电器“SplashPads”（厚约6mm、大小如鼠标垫）上市，只要便携终端安装有电能接收器即可放到上面充电。
类似的产品还有美国WildCharge公司开发的无线充电系统，充电板的外观像一个鼠标垫，能够放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高达90W的功率，足以同时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。
城市大学的许树源教授也曾成功研制出一种“无线电池充电平台”，可将数个电子产品放在一个充电平台上充电，充电时间与传统充电器无异。
2007年微软亚洲研究院披露新成果——设计和实现了一种通用型“无线供电桌面（UniversalWirelessPowerSurface）”，如果随意将笔记本、手机等移动设备放置在桌面上，即可自动开始充电或供电。
多功能家用电器无线供电“膜片”
2006年日本东京大学产学研国际中心的樱井贵康教授主持开发出一种家用电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电——该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈，厚度约1mm、面积约20cm2、重约50g，可以贴在桌子、地板、墙壁上，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。
使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈，然后放到相应位置即可得到无线供电。
据报道这种薄膜电源由四层塑料薄膜组成，从下到上依次是电导可控的有机晶体管，感测兼容电子设备接近的铜线圈、接通或断开电源的MEMS开关、传送电能的铜线圈。
当电器进入薄膜2.5cm围，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用电磁感应向设备供电。
试验验证，扣除发热损耗的情况下能量转换率可达62.3％，可转送30W电力（如果加大膜片尺寸可达100W）。
据称该无线供电膜片将自行判断电器所在位置，在居室空间的较大围可随意放置。
在无电源线的吸尘器、笔记本电脑以及家用机器人等的应用方面有广阔前景。
植入式医学器件的充电技术
目前，心脏调节器、心脏除颤器等单植入式医疗装置市场已达数十亿美元，这些植入装置需要电池供电，当电池将耗尽时，如果能通过无线供电方式充电则将避免动手术等大麻烦。
日本东北大学小柳光教授，在2007年SSDM国际会议上，发表过使用电磁感应型无线供电技术成果，他主持试制出可从外部向植入眼球的人工视网膜用LSI（Large-ScaleIntegration大规模集成电路）进行无线供电的系统。
另外，据2007年7月多家媒体报道，英国南安普敦大学的研究者成功地研发出一款能将振动转化为电能的“迷你发电机”，可望将来能凭借心脏病人的心跳为自己的心脏起搏器供电——避免更换电池时动手术。
据说这项技术也可能应用于手机、MP3等移动装置——仅靠人类的心跳就能无线充电。
中程无线供电技术
我们了解频率介于75kHz和约10GHz之间的电磁波俗称“无线电波”，可以用来传送广播和电视节目、进行通信和传真，但是对其传输电能的本领比较陌生。
通常电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差，因而供电效率是个问题；另外，还有对空间造成电磁“污染”的担忧。
有人认为电磁波可以无线传输较长的距离，但输送能量有限，存在传输功率比较低（甚至只有几微瓦到几毫瓦）的问题。
Powercast公司的相关研究是利用电磁波损失小的天线技术，借助二极管、非接触IC卡和无线电子标签等，实现效率较高的无线电力传输。
JenniferChu在《科技评论》中提到，MIT的索尔贾希克曾考虑使用电磁波，但难以避免有大部分能量在传输过程中损耗，而激光等传输方法也存在难题，最终提出了“电磁共振耦合”概念,与电磁感应方法相比，虽然采用的磁场弱，但可以实现更长距离的传输；与电磁波传播方式相比，电磁共振方式的能量流失少。
Powercast无线充电器
2007年3月“Business2.0”等媒体报道，美国宾夕法尼亚州的Powercast公司开发无线充电技术，可为各种耗电量相对较低的电子产品充电或供电，诸如手机、MP3、随身听、温度传感器、助听器、汽车零部件，甚至体植入式医疗装置等。
Powercaster公司表示开发工作早在2003年就开始了，该技术已获得FCC的批准，其中整个系统主要包含两个模块：
一个模块是“PowerCaster”发射器，可插在电源插座上；一个模块是“Powerharvester”接收器（硬币大小），可嵌入电子产品里。
发送器这边利用安全的超高频915MHz频段把能量发送出去，而接收器在距离发送器将近一米围都可以接收到发射的电磁波而实现充电——据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。
Powercast已经开始商业化运作，与荷兰菲利浦公司等百家以上的公司签订了合作协议，计划到2008年年底将交付数百万个无线充电器。
基于此，飞利浦公司还曾准备推出具有无线充电功能的无线键盘和鼠标。
报道称该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来做调整，同时还能维持稳定的直流电压。
MIT隔空无线点灯实验
在文章开始提到的MIT的索尔贾希克研究团队认为，他们发现的是一种全新的无线供电技术——非辐射电磁能谐振隧道效应，称作“Witricity”无线供电技术。
采用“不发出电磁波的天线（WirelessNon-radiativePowerTransfer）”实现非幅射共振能量传输。
MIT的研究者用两个直径60cm的特殊铜线圈做实验，作为送电方的一个线圈接在电源上，作为受电方的另一个线圈置于2m外并连接一个灯泡。
当送电方的接通电源后，两个线圈都以10兆赫兹的频率振动，从而产生强大的电磁场，通过“电振”电能被传递了，隔空供电使灯泡发光。
在电源与灯泡中间放置木料、金属或其他电器等，灯泡仍会发亮。
研究人员表示，没有发现这一系统会影响人体健康，现在的电磁辐射水平大概和核磁共振仪类似，应该是在安全围之。
该无线供电技术也称为共振感应耦合技术，关键在于利用了非辐射性磁耦合——两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，采用单层线圈，两端各放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，减少能量浪费。
基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输，则是利用数百圈紧密缠绕的线圈，但只能在数毫米的围才得到60％以上的传输效率。
而该系统只是缠绕了5圈粗铜线作为天线的线圈，在进行2m传输时效率约为40％，距离为1m时效率竟高达约90％。
可见这种融合了电磁共振的无线供电技术别具一格。
关于这项技术离实用化还有多少距离的问题，该研究团队承认技术还需改进才能走进家庭。
一方面是输电效率必须提高一倍才有望取代化学电池；再是铜线圈需要最小化才可实用——目前铜线圈直径为0.6m，要给整个房间的电器无线充电，预计直径需达2.1m；此外，电磁能发射器工作的有效距离最远仅为2.74m，要想提高这一有效距离，电脑等设备还必须同样配置一个带有铜丝线圈的接收器。
目前该团队正设法改进，希望电器离电源的有效供电距离能达到4m～5m，铜线圈可缩小到安装在笔记本电脑里的程度，输电效率也要大幅提高。
如果这样，手机、笔记本电脑就可以在配置有
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