研究背景

可穿戴電子是智慧醫(yī)療與人機(jī)交互的關(guān)鍵。它走向長時(shí)功能應(yīng)用，需應(yīng)對(duì)柔性化、無線化、持續(xù)供能的綜合挑戰(zhàn)。基于傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的技術(shù)路線，難以擺脫對(duì)硬質(zhì)芯片或電池的需求。近年來新興的無芯片架構(gòu)（Chip-less devices），展現(xiàn)出一定潛力，但目前其無線傳輸距離較短，或仍需外場供能。

為此，我們提出了一種無電池?zé)o芯片的無線感知與信息傳輸新原理，利用摩擦界面的電子轉(zhuǎn)移激發(fā)電磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超96米的長距離無線傳輸，結(jié)合圖案電極可實(shí)現(xiàn)拉伸/按壓動(dòng)作感知，配合集成天線可完成高低頻編碼通信，在舒適性、靈活性、長時(shí)“待機(jī)”方面打破傳統(tǒng)模式限制。

研究簡介

工作原理：摩擦生電，電磁傳信。當(dāng)柔性貼片中的金屬層在介質(zhì)層表面滑動(dòng)時(shí)，因材料電負(fù)性差異產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，引起電極的瞬時(shí)電勢變化，進(jìn)而激發(fā)電磁波。通過設(shè)計(jì)金屬層圖案與天線結(jié)構(gòu)，電磁波的幅度和頻率可以被精巧調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)矢量傳感與信息編碼。

器件性能：從毫米級(jí)感知到百米級(jí)通信。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)性能測試，結(jié)果顯示：①信號(hào)幅度受接觸面積、材料種類、滑動(dòng)速度等因素影響；②信號(hào)頻率主要由天線幾何參數(shù)調(diào)控；③最遠(yuǎn)傳輸距離超過96米，遠(yuǎn)超現(xiàn)有同類技術(shù)；④設(shè)備可拉伸、可扭轉(zhuǎn)，最高應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)可達(dá)80%，可耐受20萬次以上拉伸循環(huán)。

圖1.基本單元的無線性能。(a)測試裝置。在相同測試條件下，(b)摩擦接觸面積、(c) PTFE薄膜厚度、(d)滑動(dòng)作用力對(duì)激勵(lì)源輸出幅值變化及接收電磁信號(hào)幅頻特性的影響。不同(e)激發(fā)天線長度、(f)接收天線長度下的電感/增益、接收電磁波幅值與頻率的關(guān)系。(g)單元器件在0-360°范圍內(nèi)的全向性表征。(h)單元器件在0.1至96米范圍內(nèi)的長距離傳輸性能。(i)實(shí)測電磁功率與使用近場及遠(yuǎn)場模型計(jì)算的鏈路預(yù)算之間的關(guān)聯(lián)性。

雙頻通信：為提高傳感精度和準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了陣列結(jié)構(gòu)，并結(jié)合離散化傳感原理——通過多個(gè)單元組合與計(jì)數(shù)測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉伸量的準(zhǔn)確感知，同時(shí)可達(dá)毫米級(jí)分辨率。此外，通過集成不同尺寸的天線，器件可發(fā)射不同頻率的電磁波（本實(shí)驗(yàn)采用了255MHz和500MHz兩種頻率），賦能矢量傳感與信息編碼。

圖2.陣列化器件的結(jié)構(gòu)與表征。(a)陣列化器件的無線傳輸系統(tǒng)及其等效示意圖。(b)分別使用PCB和電纜線作為天線時(shí)的電磁波信號(hào)幅。(c)往復(fù)滑動(dòng)過程中陣列化器件產(chǎn)生的連續(xù)電磁波信號(hào)。(d)連續(xù)電磁波信號(hào)的計(jì)數(shù)（從1到7）與滑動(dòng)位移量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，插圖展示了柵格參數(shù)。(e)不同柵格寬度的陣列化器件在相同位移和速度下產(chǎn)生的電磁波信號(hào)數(shù)量差異（上）；相同柵格寬度（1 mm）的陣列化q器件在不同速度下觸發(fā)的電磁波信號(hào)數(shù)量差異（下）。(f)叉指結(jié)構(gòu)陣列化器件中，不同PCB圖案對(duì)應(yīng)的電感值與電磁波接收情況之間的關(guān)系。(g)陣列化器件的矢量化表征。下方為兩個(gè)不同頻率電磁波對(duì)應(yīng)的幅值圖和功率譜圖。

應(yīng)用演示：從膝蓋彎曲感知到編碼通信。研究團(tuán)隊(duì)展示了多個(gè)實(shí)際應(yīng)用場景：①膝關(guān)節(jié)監(jiān)測貼片——實(shí)時(shí)捕捉彎曲角度，并無線傳輸信號(hào)供后端分析；②手指彎曲感知——器件尺寸僅0.8 cm×2 cm，可實(shí)現(xiàn)40米無線傳輸，及摩斯碼通信；③通信腕帶——通過高低頻的電磁波組合，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制編碼，便攜輸出如“停止”“前進(jìn)”等指令。

圖3.可穿戴電子貼片與通信腕帶的應(yīng)用。(a)電子貼片的分解示意圖。(b)電子貼片在拉伸、扭曲和彎曲狀態(tài)下的光學(xué)照片。(c)運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)的流程圖。(d)附著在膝關(guān)節(jié)上的傳統(tǒng)電池供電無線可拉伸器件與我們的無芯片電子貼片的對(duì)比。(e)彎曲膝關(guān)節(jié)時(shí)，電子貼片產(chǎn)生的連續(xù)電磁波信號(hào)，以及(f)彎曲角度與拉伸位移間近似線性的關(guān)系。(g)電子貼片作為長距離通信平臺(tái)的應(yīng)用場景及工作流程示意圖。(h)通信腕帶及(i)自定義通信協(xié)議。(j)由腕帶觸發(fā)的多組電磁波所構(gòu)成的編碼信息與指令。下方為兩組不同頻率電磁波對(duì)應(yīng)的功率譜圖。

未來展望：這項(xiàng)基于無芯片架構(gòu)的全自供能無線感知與信息傳輸?shù)难芯抗ぷ鳎行?yīng)對(duì)了穿戴電子在長期實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，為智慧醫(yī)療、人機(jī)交互，乃至戶外與特種應(yīng)用等領(lǐng)域帶來了新思路。

審核編輯 黃宇