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全球首个可拉伸整流天线系统诞生,可实现柔性可穿戴电子设备“永不停机”供电丨专访

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  “我们首次实现了利用推算进行无线能量的收集、转换,同时即使在拉伸、变形情况下也能够正常使用,这是很大的突破。”美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系助理教授程寰宇告诉 DeepTech。

  

  图丨蛇形单元构成的宽带可伸缩偶极子天线(来源:受访者)

  当前,可穿戴电子设备的供电来自太阳能、摩擦电设备等,但其供电来源都有其各自的短板。例如,太阳能只能在有阳光的情况才能收集,而自供电的摩擦电设备只能在人体运动、热量散发时收集能量。

  通常,柔性可穿戴设备来自物理化学、生物等传感器。那么,除了传统收集能量来源,是否有其他途径呢?

  最近,程寰宇及其团队给出了一种新的选择。他们开发了一种具有可伸缩天线和整流天线系统的可穿戴电子设备,可收集周围环境中的无线电波,然后将其能量转化为电能,从而使可穿戴电子设备持续供电。

  3 月 5 日,该研究以《用于射频能量收集、可伸缩的宽带偶极天线和整流天线》(“Stretchable wideband dipole antennas and rectennas for RF energy harvesting”)为题发表在 Materials Today Physics。

  

  图丨相关论文(来源:Materials Today Physics)

  为可穿戴电子设备提供 “永不停机” 的供电方案

  传感器作为天线,其变形对其传感功能有非常大的影响。因此,机械变形和电磁特性的耦合是程寰宇及其团队遇到的难点问题。

  程寰宇对 DeepTech 解释称,“机械变形和天线功能的改变,很难通过直观的想法去预测。 同时,一旦天线的性能较差时,收取的能量就有很大损耗,这也会导致传输信号的失真。在这个过程中这些条件需要都同时满足,所以,设计参数选择是一项充满挑战的工作。”

  

  图丨可伸缩宽带天线和整流天线的演示平台,用于无线通信和周围射频能量收集及其在所有激光制造设备中的使用(来源:Materials Today Physics)

  研究人员提出了一种用于无线传输和环境射频能量采集的可伸缩宽带天线和整流天线。采用力学 - 电磁耦合设计方法,实验证明了由蛇形单元构成的宽带可伸缩偶极子天线具有与变形无关的辐射特性。

  将可伸缩宽带偶极子天线与整流电路连接产生高效可伸缩整流天线,以连续地从各种广泛可用的 Wi-Fi、4G、微波炉和即将到来的 5G 等获取环境射频(RF)能量。该团队开发了一种可伸展的宽带偶极子天线系统,这一系统能实现从可穿戴电子传感器收集的无线传输数据。

  该系统由两个可伸缩的天线组成,这些天线利用在导电多孔石墨烯泡沫材料上添加金属涂层而构成。导电多孔石墨烯泡沫配合金属涂层还被用来制造多种生理参数传感器和集成商用芯片以实现多种附加功能。

  

  图丨可伸缩宽带整流天线从wifi中吸收能量(来源:受访者)

  该系统的宽带设计具有显著优势,即使在拉伸、弯曲、任意扭曲时也能持续发电,而其频率功能不受天线变化状态的影响。

  “与其他研究团队主要集中在应变传感器、运动监测等可拉伸天线的研究不同,我们换了另一种思路。所以,我们想到了引入宽频谱,实现了机械上稳定、可拉伸,并且保障高性能的信号的能量传输,实现了对无线传输能量的有效使用。”程寰宇说。

  

  图丨可伸缩宽带整流天线的能量采集性能(来源:Materials Today Physics)

  据了解,该系统连接到可拉伸的整流电路创建一个整流天线,通过整流天线收集的环境射频能量可以连续产生直流电,也就是说,可以将能量从电磁波转换为电能。该系统可用于为电池和超级电容器等储能设备充电,或为柔性传感器和设备供电。

  整流天线能将周围环境中的无线电波或电磁波转换成能量,以为设备上的传感模块供电,这些模块可以跟踪温度,水合作用和脉冲氧含量。这为可穿戴电子设备和遥感器提供了一个 “永不停机” 的解决方案。

  “我们的研究是全球首个可拉伸的柔性整流天线用于能量收集,还能同时保持无线传输和多参数检测的可穿戴设备,这也是该研究的新颖性所在,我们希望在将来能完成更多的功能设置集成。” 程寰宇说。

  曾研发能溶于人体的可穿戴 “电子纹身”

  程寰宇从清华大学毕业后,赴美国西北大学攻读硕士、博士。他专注于研发可用于机器人、生物医药及能源领域的生物电子设备,特别是曾研发能溶于人体的可穿戴式 “电子纹身”。

  

  图丨程寰宇(来源:受访者)

  2020 年,DeepTech 曾两次报道过程寰宇在可穿戴设备领域相关研究,分别是《“贴纸” 型可穿戴传感器诞生,中美科学家联合研发,可远程监控健康风险》、《全球首个高性能可拉伸自供能系统诞生!攻克柔性电子充电难,实现石墨烯力学传感器自充电》。

  期待让更多人享受到科技带来的便利

  程寰宇表示,可穿戴电子设备因其材料易得、成本在易接受范围,有利于大规模生产以及未来的产业化发展。

  他下一步的研究重点是将传感器组件系统整合到一起,形成完整的智能系统。通过直接收取周边的能量充电,能实现信号传输。如果有这样的系统,在人体健康监测、疾病诊断和治疗等方面将更容易应用该项技术。

  程寰宇举例说道:“糖尿病的慢性伤口实际上影响了很多病人,伤口会慢慢地从肌肉损伤演变成神经损伤,特别是如果病情到了中晚期还会面临截肢。所以,一旦有这样一个无线、无电源的系统,那么伤口监测和电刺激治疗等便成了一件容易的事情。我认为,这具有广阔的发展前景,我们也将不断完善技术,希望该技术从实验室的小规模生产到市场化、标准化、商业化的大规模生产,及早实现临床上推广应用。

  谈及可穿戴设备的未来发展,程寰宇告诉 DeepTech:“未来,可穿戴电子设备将更广泛地在柔性身体感测网络和个性化医疗设备上使用。作为科研工作者,我们希望做出更好的研究成果,使人们在日常生活中通过可穿戴电子设备更方便地了解自己的健康状况,享受更高品质的生活,切实让更多人享受到科技为生活带来的便利。”

  -End-

  

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