中国科学院北京纳米能源与系统研究所：研究一种用于无线传感与通信的无芯片、自供电式电子贴片

研究背景

可穿戴电子是智慧医疗与人机交互的关键。它走向长时功能应用，需应对柔性化、无线化、持续供能的综合挑战。基于传统计算架构的技术路线，难以摆脱对硬质芯片或电池的需求。近年来新兴的无芯片架构（Chip-less devices），展现出一定潜力，但目前其无线传输距离较短，或仍需外场供能。

为此，我们提出了一种无电池无芯片的无线感知与信息传输新原理，利用摩擦界面的电子转移激发电磁信号，实现超96米的长距离无线传输，结合图案电极可实现拉伸/按压动作感知，配合集成天线可完成高低频编码通信，在舒适性、灵活性、长时“待机”方面打破传统模式限制。

研究简介

工作原理：摩擦生电，电磁传信。当柔性贴片中的金属层在介质层表面滑动时，因材料电负性差异产生电子转移，引起电极的瞬时电势变化，进而激发电磁波。通过设计金属层图案与天线结构，电磁波的幅度和频率可以被精巧调控，从而实现矢量传感与信息编码。

器件性能：从毫米级感知到百米级通信。研究团队对设备进行了系统性能测试，结果显示：①信号幅度受接触面积、材料种类、滑动速度等因素影响；②信号频率主要由天线几何参数调控；③最远传输距离超过96米，远超现有同类技术；④设备可拉伸、可扭转，最高应变设计可达80%，可耐受20万次以上拉伸循环。

图1.基本单元的无线性能。(a)测试装置。在相同测试条件下，(b)摩擦接触面积、(c) PTFE薄膜厚度、(d)滑动作用力对激励源输出幅值变化及接收电磁信号幅频特性的影响。不同(e)激发天线长度、(f)接收天线长度下的电感/增益、接收电磁波幅值与频率的关系。(g)单元器件在0-360°范围内的全向性表征。(h)单元器件在0.1至96米范围内的长距离传输性能。(i)实测电磁功率与使用近场及远场模型计算的链路预算之间的关联性。

双频通信：为提高传感精度和准确性，团队设计了阵列结构，并结合离散化传感原理——通过多个单元组合与计数测量，实现对拉伸量的准确感知，同时可达毫米级分辨率。此外，通过集成不同尺寸的天线，器件可发射不同频率的电磁波（本实验采用了255MHz和500MHz两种频率），赋能矢量传感与信息编码。

图2.阵列化器件的结构与表征。(a)阵列化器件的无线传输系统及其等效示意图。(b)分别使用PCB和电缆线作为天线时的电磁波信号幅。(c)往复滑动过程中阵列化器件产生的连续电磁波信号。(d)连续电磁波信号的计数（从1到7）与滑动位移量之间的对应关系，插图展示了栅格参数。(e)不同栅格宽度的阵列化器件在相同位移和速度下产生的电磁波信号数量差异（上）；相同栅格宽度（1 mm）的阵列化q器件在不同速度下触发的电磁波信号数量差异（下）。(f)叉指结构阵列化器件中，不同PCB图案对应的电感值与电磁波接收情况之间的关系。(g)阵列化器件的矢量化表征。下方为两个不同频率电磁波对应的幅值图和功率谱图。

应用演示：从膝盖弯曲感知到编码通信。研究团队展示了多个实际应用场景：①膝关节监测贴片——实时捕捉弯曲角度，并无线传输信号供后端分析；②手指弯曲感知——器件尺寸仅0.8 cm×2 cm，可实现40米无线传输，及摩斯码通信；③通信腕带——通过高低频的电磁波组合，实现二进制编码，便携输出如“停止”“前进”等指令。

图3.可穿戴电子贴片与通信腕带的应用。(a)电子贴片的分解示意图。(b)电子贴片在拉伸、扭曲和弯曲状态下的光学照片。(c)运动传感系统的流程图。(d)附着在膝关节上的传统电池供电无线可拉伸器件与我们的无芯片电子贴片的对比。(e)弯曲膝关节时，电子贴片产生的连续电磁波信号，以及(f)弯曲角度与拉伸位移间近似线性的关系。(g)电子贴片作为长距离通信平台的应用场景及工作流程示意图。(h)通信腕带及(i)自定义通信协议。(j)由腕带触发的多组电磁波所构成的编码信息与指令。下方为两组不同频率电磁波对应的功率谱图。

未来展望：这项基于无芯片架构的全自供能无线感知与信息传输的研究工作，有效应对了穿戴电子在长期实际应用中面临的挑战，为智慧医疗、人机交互，乃至户外与特种应用等领域带来了新思路。

审核编辑 黄宇