自供電電子貼片

可穿戴電子貼片在邁向長(zhǎng)期應(yīng)用時(shí)面臨三大核心挑戰(zhàn)：與人體皮膚的機(jī)械不匹配、對(duì)電池的依賴以及無線傳輸距離短（如近場(chǎng)通信僅厘米級(jí)），這些瓶頸嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和唐偉研究員研究出了一種全新的、完全無芯片、自供電的無線電子貼片。該器件結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，僅由一個(gè)介電層和兩個(gè)圖案化的金屬層構(gòu)成，通過摩擦起電誘導(dǎo)產(chǎn)生的電磁波實(shí)現(xiàn)傳感與通信功能。其無線工作距離突破了驚人的96米，成功將自供能傳感從厘米級(jí)推向了近百米級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)展示了該貼片在膝關(guān)節(jié)和手指彎曲監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，并進(jìn)一步開發(fā)了可用于二進(jìn)制編碼消息傳遞的通信腕帶，為可穿戴傳感與無線通信領(lǐng)域提供了一種顛覆性的實(shí)用策略（圖1a, b）。相關(guān)研究成果以題為“Chip-less, self-powered electronic patch for wireless sensing and communication”發(fā)表在最新一期《nature sensors》上。

單元器件設(shè)計(jì)：摩擦起電，激發(fā)無線信號(hào)

電子貼片的基本單元由上層的滑動(dòng)金屬、中間的介電層（聚四氟乙烯，PTFE）以及包含電極和天線的下層接觸金屬組成（圖1c）。其工作原理基于摩擦起電：當(dāng)上層金屬在介電層表面滑動(dòng)時(shí)，由于材料電負(fù)性差異，兩者之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，形成電勢(shì)差。這一過程可被建模為一個(gè)電容和電壓源。當(dāng)滑動(dòng)金屬與下層接觸金屬瞬間接觸時(shí)，會(huì)釋放瞬時(shí)電流，導(dǎo)致放電尖端的電場(chǎng)急劇變化，從而向空氣中輻射電磁波，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)激發(fā)。通過電路模型分析，電磁波的頻率由天線電感和空間電容決定。實(shí)驗(yàn)顯示，一個(gè)典型的基本單元在接觸時(shí)可產(chǎn)生約50 μA的瞬時(shí)電流，而在1米外的接收天線可以捕獲到峰峰值電壓為5.5 V的電磁信號(hào)。對(duì)該信號(hào)的快速傅里葉變換分析顯示，其發(fā)射頻率約為259 MHz，與理論計(jì)算值283 MHz高度吻合（圖1d-f）。

圖 1 貼片基本單元的設(shè)計(jì)和特性

單元器件性能：參數(shù)調(diào)控，距離驚人

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)單元器件進(jìn)行了系統(tǒng)性的性能表征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大摩擦接觸面積、減小介電層厚度，可以增強(qiáng)激發(fā)源的輸出，從而提升接收信號(hào)的振幅，但對(duì)信號(hào)頻率影響甚微（圖2b, c）。同樣，提高滑動(dòng)頻率和正向壓力也能增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度（圖2d）。更重要的是，信號(hào)的頻率可以通過調(diào)節(jié)天線圖案的尺寸進(jìn)行有效調(diào)控：天線越長(zhǎng)，電感越大，信號(hào)頻率越低（圖2e）。在傳輸距離測(cè)試中，器件表現(xiàn)出了卓越的全向發(fā)射能力（圖2g）。在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)96米的室內(nèi)直視距離測(cè)試中，接收端依然能清晰地捕捉到設(shè)備發(fā)出的電磁信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度隨距離的衰減與近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)功率鏈路預(yù)算模型高度吻合（圖2h, i）。

圖 2 基本單元的無線性能

陣列化器件設(shè)計(jì)：矢量傳感，信息編碼

為了賦予電子貼片更復(fù)雜的感知能力，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了包含陣列化單元的電子貼片（圖3a）。該器件采用網(wǎng)格狀電極設(shè)計(jì)，當(dāng)滑動(dòng)金屬依次滑過接觸金屬的不同條紋時(shí)，會(huì)觸發(fā)一連串的電磁波信號(hào)（圖3c）。通過計(jì)算信號(hào)峰值的數(shù)量，可以精確獲取滑動(dòng)位移，實(shí)現(xiàn)了矢量化的位移傳感。實(shí)驗(yàn)證明，電極條紋寬度越窄，相同位移下的信號(hào)峰越多，位移分辨率越高（圖3e）。此外，通過在器件上集成兩種不同長(zhǎng)度的天線圖案，可以實(shí)現(xiàn)雙頻發(fā)射（約255 MHz和490 MHz），從而在往復(fù)滑動(dòng)過程中通過分析接收到的不同頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的判別（圖3f, g）。

圖 3 陣列器件的結(jié)構(gòu)和表征

電子貼片應(yīng)用：柔性穿戴，遠(yuǎn)程通信

基于上述設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)制造了一款完全柔性、可拉伸的電子貼片，其最大應(yīng)變可達(dá)80%，并能承受高達(dá)220,000次的拉伸循環(huán)，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和穿戴舒適性（圖4a-d）。將其貼附于人體膝關(guān)節(jié)處，即可在彎曲和伸直過程中實(shí)時(shí)發(fā)射電磁信號(hào)。由于膝關(guān)節(jié)彎曲角度與貼片的拉伸位移呈線性關(guān)系，通過分析接收到的信號(hào)即可無線監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（圖4e, f）。進(jìn)一步將貼片微型化至0.8 cm × 2 cm，仍能實(shí)現(xiàn)高達(dá)40米的手指彎曲無線傳感。除了傳感，該貼片還能作為一種無線通信工具。團(tuán)隊(duì)展示的一款無芯片自供電腕帶，通過向不同方向施加剪切力，可以激發(fā)出分別代表邏輯值“1”和“0”的兩種特征頻率電磁波（220 MHz和380 MHz）（圖4h）。利用這種二進(jìn)制編碼系統(tǒng)，腕帶可以發(fā)送如“停止”、“前進(jìn)”等預(yù)定義指令，實(shí)現(xiàn)了無源、長(zhǎng)距離的無線信息傳輸（圖4i, j）。

圖 4 可穿戴電子貼片和通信腕帶的應(yīng)用

總結(jié)與展望

本研究是一種基于摩擦起電和瞬變電場(chǎng)激發(fā)電磁波的全新電子貼片。它完全摒棄了傳統(tǒng)芯片和電池，實(shí)現(xiàn)了自供能、長(zhǎng)距離（>96米）的無線傳感與通信。該貼片兼具柔性、可拉伸性、高耐用性（22萬次拉伸循環(huán)）、毫米級(jí)位移分辨率以及信息編碼能力。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種創(chuàng)新方案為可穿戴傳感、生物醫(yī)學(xué)健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互以及短距離無線信息通信等領(lǐng)域開辟了廣闊的應(yīng)用前景。