王中林院士、唐伟研究员团队，首篇Nature Sensors！

自供电电子贴片

可穿戴电子贴片在迈向长期应用时面临三大核心挑战：与人体皮肤的机械不匹配、对电池的依赖以及无线传输距离短（如近场通信仅厘米级），这些瓶颈严重限制了其实际应用。

鉴于此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和唐伟研究员研究出了一种全新的、完全无芯片、自供电的无线电子贴片。该器件结构极其简单，仅由一个介电层和两个图案化的金属层构成，通过摩擦起电诱导产生的电磁波实现传感与通信功能。其无线工作距离突破了惊人的96米，成功将自供能传感从厘米级推向了近百米级。研究团队展示了该贴片在膝关节和手指弯曲监测方面的应用，并进一步开发了可用于二进制编码消息传递的通信腕带，为可穿戴传感与无线通信领域提供了一种颠覆性的实用策略（图1a, b）。相关研究成果以题为“Chip-less, self-powered electronic patch for wireless sensing and communication”发表在最新一期《nature sensors》上。

单元器件设计：摩擦起电，激发无线信号

电子贴片的基本单元由上层的滑动金属、中间的介电层（聚四氟乙烯，PTFE）以及包含电极和天线的下层接触金属组成（图1c）。其工作原理基于摩擦起电：当上层金属在介电层表面滑动时，由于材料电负性差异，两者之间发生电荷转移，形成电势差。这一过程可被建模为一个电容和电压源。当滑动金属与下层接触金属瞬间接触时，会释放瞬时电流，导致放电尖端的电场急剧变化，从而向空气中辐射电磁波，实现无线信号激发。通过电路模型分析，电磁波的频率由天线电感和空间电容决定。实验显示，一个典型的基本单元在接触时可产生约50 μA的瞬时电流，而在1米外的接收天线可以捕获到峰峰值电压为5.5 V的电磁信号。对该信号的快速傅里叶变换分析显示，其发射频率约为259 MHz，与理论计算值283 MHz高度吻合（图1d-f）。

图 1 贴片基本单元的设计和特性

单元器件性能：参数调控，距离惊人

研究团队对单元器件进行了系统性的性能表征。实验发现，增大摩擦接触面积、减小介电层厚度，可以增强激发源的输出，从而提升接收信号的振幅，但对信号频率影响甚微（图2b, c）。同样，提高滑动频率和正向压力也能增强信号强度（图2d）。更重要的是，信号的频率可以通过调节天线图案的尺寸进行有效调控：天线越长，电感越大，信号频率越低（图2e）。在传输距离测试中，器件表现出了卓越的全向发射能力（图2g）。在一个长达96米的室内直视距离测试中，接收端依然能清晰地捕捉到设备发出的电磁信号，其信号强度随距离的衰减与近场和远场功率链路预算模型高度吻合（图2h, i）。

图 2 基本单元的无线性能

阵列化器件设计：矢量传感，信息编码

为了赋予电子贴片更复杂的感知能力，研究团队开发了包含阵列化单元的电子贴片（图3a）。该器件采用网格状电极设计，当滑动金属依次滑过接触金属的不同条纹时，会触发一连串的电磁波信号（图3c）。通过计算信号峰值的数量，可以精确获取滑动位移，实现了矢量化的位移传感。实验证明，电极条纹宽度越窄，相同位移下的信号峰越多，位移分辨率越高（图3e）。此外，通过在器件上集成两种不同长度的天线图案，可以实现双频发射（约255 MHz和490 MHz），从而在往复滑动过程中通过分析接收到的不同频率信号，实现运动方向的判别（图3f, g）。

图 3 阵列器件的结构和表征

电子贴片应用：柔性穿戴，远程通信

基于上述设计，研究团队制造了一款完全柔性、可拉伸的电子贴片，其最大应变可达80%，并能承受高达220,000次的拉伸循环，展现出优异的耐用性和穿戴舒适性（图4a-d）。将其贴附于人体膝关节处，即可在弯曲和伸直过程中实时发射电磁信号。由于膝关节弯曲角度与贴片的拉伸位移呈线性关系，通过分析接收到的信号即可无线监测人体运动状态（图4e, f）。进一步将贴片微型化至0.8 cm × 2 cm，仍能实现高达40米的手指弯曲无线传感。除了传感，该贴片还能作为一种无线通信工具。团队展示的一款无芯片自供电腕带，通过向不同方向施加剪切力，可以激发出分别代表逻辑值“1”和“0”的两种特征频率电磁波（220 MHz和380 MHz）（图4h）。利用这种二进制编码系统，腕带可以发送如“停止”、“前进”等预定义指令，实现了无源、长距离的无线信息传输（图4i, j）。

图 4 可穿戴电子贴片和通信腕带的应用

总结与展望

本研究是一种基于摩擦起电和瞬变电场激发电磁波的全新电子贴片。它完全摒弃了传统芯片和电池，实现了自供能、长距离（>96米）的无线传感与通信。该贴片兼具柔性、可拉伸性、高耐用性（22万次拉伸循环）、毫米级位移分辨率以及信息编码能力。研究团队认为，这种创新方案为可穿戴传感、生物医学健康监测、人机交互以及短距离无线信息通信等领域开辟了广阔的应用前景。