加州大学研发出RFID测力“贴纸”，重新定义精准测量

任何两个接触在一起的物体都会相互施加一定的力，这可能是由于重力作用或者是机械接触，例如物体对平台的重量或者两个骨骼在人类膝关节处的接触。为了更有效和便捷地进行这种力的测量，加州大学圣迭戈分校的研究团队研发了一种超薄RFID测力“贴纸”(被称为“ForceSticker”)来协助测量这些现象。

ForceSticker的开发源于两个主要组件的集成：一个只有几毫米厚、大约一粒米大小的微型电容器，以及一个商用900MHz超高频RFID电子标签。研究人员集成了这两个组件，以便他们可以测量施加的力，并将信息无线传输到标准的RFID读写器。

在电容器的两个导电铜条之间放置了一层柔软的聚合物薄片，形成了电容器。当外部力作用于聚合物上时，聚合物会被压缩，导致铜条靠近，从而增加电容器内的电荷。

这种测力贴纸的设计灵感来源于对电容变化的敏锐观察。当施加外力时，聚合物压缩，将铜条拉得更近，从而增加电容。通过这种设计，研究人员可以根据从数学RF建模中得出的优化电容范围设计，评估传感器的转换功能，并在COMSOL中执行多物理模拟。

在ForceSticker的实际应用中，研究人员采用了两种不同的4×2毫米传感器实现，具有不同的Ecoflex聚合物层(可生物降解的铂催化的硅基聚合物)和氯丁橡胶，覆盖0至6 N和0至40 N的范围，读数误差分别为0.25 N和1.6 N。此外，他们对ForceSticker进行了超过10,000次的压力测试，没有发现任何明显的误差下降。

这种无源RFID电子标签使用反向散射进行电力和数据传输。它从RFID读写器接收输入的无线电信号，通过电容器感应的电变化修改信号，然后将修改后的信号反射回RFID读写器，RFID读写器解读并将其转化为作用力。这种方法直接将传感器产生的模拟RF相位变换插入RFID电子标签的无线信道路径中，创建了模拟-数字反向散射链路。

在实现传感器集成的过程中，一个关键的挑战是传感器接口的设计。为了在不损失信号保真度的情况下实现传感器集成，研究人员采用了匹配阻抗共面波导的方法。此外，为了获得这种灵敏度调谐，电容器必须在零作用力下具有正确设计的“标称值”。这是由模拟这种情况的各种非线性方程确定的，并考虑了传输线的阻抗和反射系数。

在模拟电容传感器与数字识别RFID的接口时，研究人员通过将传感器插入天线和与两者并联的RFID标签之间来实现。然而，研究人员指出，存在两种所谓的“退化”解决方案(意味着至少一个基本变量为零)。其中一种解决方案假设所有相位变化都直接从传感器反射，没有信号到达RFID模块。而另一种解决方案则假设传感器的容性转换实际工作模式。这两种解决方案都为该技术的进一步优化提供了指导。

总的来说，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的这个团队已经通过开发ForceSticker这一创新的测力贴纸展示了工程突破的可能性。通过集成微型电容器和商用RFID 电子标签，他们创造了一种能够测量施加的力并将信息无线传输的设备。

加州大学圣迭戈分校工程学院教授Dinesh Bharadia在学校的一份声明中表示：“人类天生拥有感知力量的内在能力。这赋予我们与周围环境无缝互动的能力，也让临床医生能够进行精细的外科手术。将这种感知力量的能力引入电子设备和医疗植入物领域可能会对许多行业带来革命性的变革。”

而且这种技术不仅具有在医疗和工业领域应用的潜力，而且还可以用于仓库包装的底部测量其重量。通过持续研究和创新，我们有理由相信未来会有更多这样的突破来改善我们的生活和工作。

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审核编辑 黄宇