研究背景

可穿戴電子是智慧醫(yī)療與人機交互的關鍵。它走向長時功能應用，需應對柔性化、無線化、持續(xù)供能的綜合挑戰(zhàn)?；趥鹘y(tǒng)計算架構的技術路線，難以擺脫對硬質芯片或電池的需求。近年來新興的無芯片架構（Chip-less devices），展現出一定潛力，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無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移激發(fā)電磁信號，實現超96米的長距離無線傳輸，結合圖案電極可實現拉伸/按壓動作感知，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“待機”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。當柔性貼片中的金屬層在介質層表面滑動時，因材料電負性差異產生電子轉移，引起電極的瞬時電勢變化，進而激發(fā)電磁波。通過設計金屬層圖案與天線結構，電磁波的幅度和頻率可以被精巧調控，從而實現矢量傳感與信息編碼。

器件性能：從毫米級感知到百米級通信。研究團隊對設備進行了系統(tǒng)性能測試，結果顯示：①信號幅度受接觸面積、材料種類、滑動速度等因素影響；②信號頻率主要由天線幾何參數調控；③最遠傳輸距離超過96米，遠超現有同類技術；④設備可拉伸、可扭轉，最高應變設計可達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)滑動作用力對激勵源輸出幅值變化及接收電磁信號幅頻特性的影響。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系。(g)單元器件在0-360°范圍內的全向性表征。(h)單元器件在0.1至96米范圍內的長距離傳輸性能。(i)實測電磁功率與使用近場及遠場模型計算的鏈路預算之間的關聯性。

雙頻通信：為提高傳感精度和準確性，團隊設計了陣列結構，并結合離散化傳感原理——通過多個單元組合與計數測量，實現對拉伸量的準確感知，同時可達毫米級分辨率。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（本實驗采用了255MHz和500MHz兩種頻率），賦能矢量傳感與信息編碼。

圖2.陣列化器件的結構與表征。(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的電磁波信號幅。(c)往復滑動過程中陣列化器件產生的連續(xù)電磁波信號。(d)連續(xù)電磁波信號的計數（從1到7）與滑動位移量之間的對應關系，插圖展示了柵格參數。(e)不同柵格寬度的陣列化器件在相同位移和速度下產生的電磁波信號數量差異（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)的電磁波信號數量差異（下）。(f)叉指結構陣列化器件中，不同PCB圖案對應的電感值與電磁波接收情況之間的關系。(g)陣列化器件的矢量化表征。下方為兩個不同頻率電磁波對應的幅值圖和功率譜圖。

應用演示：從膝蓋彎曲感知到編碼通信。研究團隊展示了多個實際應用場景：①膝關節(jié)監(jiān)測貼片——實時捕捉彎曲角度，并無線傳輸信號供后端分析；②手指彎曲感知——器件尺寸僅0.8 cm×2 cm，可實現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，實現二進制編碼，便攜輸出如“停止”“前進”等指令。

圖3.可穿戴電子貼片與通信腕帶的應用。(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)下的光學照片。(c)運動傳感系統(tǒng)的流程圖。(d)附著在膝關節(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比。(e)彎曲膝關節(jié)時，電子貼片產生的連續(xù)電磁波信號，以及(f)彎曲角度與拉伸位移間近似線性的關系。(g)電子貼片作為長距離通信平臺的應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)的多組電磁波所構成的編碼信息與指令。下方為兩組不同頻率電磁波對應的功率譜圖。

未來展望：這項基于無芯片架構的全自供能無線感知與信息傳輸的研究工作，有效應對了穿戴電子在長期實際應用中面臨的挑戰(zhàn)，為智慧醫(yī)療、人機交互，乃至戶外與特種應用等領域帶來了新思路。

審核編輯 黃宇