无芯片自供电无线电子贴片：突破96米传输距离，开启可穿戴感知新纪元

导语：当传统可穿戴设备还在为电池续航和芯片依赖所困扰时，一项颠覆性技术正悄然改变游戏规则。中国科学院北京纳米能源与系统研究所唐伟研究员、王中林院士团队最新发表于《Nature Sensors》的研究成果，成功打造出一种完全无芯片、自供电的无线电子贴片，将无线传输距离从厘米级一举突破至96米以上，为智慧医疗与人机交互开辟了全新可能。

一、技术瓶颈：可穿戴电子的三座大山

可穿戴电子设备作为智慧医疗与人机交互的核心载体，其大规模应用长期面临三大瓶颈：

机械不匹配——刚性芯片与柔性皮肤之间的本质矛盾，导致佩戴不适、信号漂移；

能源依赖——传统方案离不开电池供能，续航焦虑与更换成本制约长期监测；

通信受限——现有无芯片方案多采用近场通信技术，有效距离仅数厘米，实用性大打折扣。

如何同时破解柔性化、无线化、持续供能三大难题，成为学界与产业界共同关注的焦点。

二、核心创新：摩擦起电激发电磁波

唐伟研究员与王中林院士团队另辟蹊径，提出了一种基于摩擦电效应的全新无线传感机制。该电子贴片结构极简，仅由介电层（聚四氟乙烯薄膜）和两层图案化金属电极构成，却实现了令人惊叹的功能跃升。

工作原理揭秘：

当上层金属层在介电表面滑动时，由于材料间电负性差异，界面发生电荷转移，形成瞬时电势差。这一瞬态电场变化通过天线结构向空间辐射电磁波，完成信号的无线激发与传输。整个过程无需外部电源，无需集成电路，仅凭机械滑动即可产生并发射电磁信号。

理论模型完整涵盖了摩擦界面电子转移、电磁信号激发、无线传输链路预算及接收端耦合四个关键环节，为器件优化提供了坚实支撑。

三、性能突破：从毫米感知到百米通信

研究团队对器件进行了系统性性能验证，各项指标均展现出显著优势：

超远传输距离——室内直视条件下，信号有效传输距离超过96米，较现有无芯片技术提升两个数量级，成功将自供能传感推向百米级应用。

优异机械性能——器件可拉伸至原长的180%，耐受20万次以上拉伸循环，完美适配人体曲面与运动形变。

毫米级分辨率——采用阵列化栅格设计，通过计数信号脉冲数量实现位移精确测量，分辨率可达毫米量级。

双频编码通信——集成不同尺寸天线，可同时发射255MHz与500MHz两种特征频率，支持矢量传感与二进制信息编码。

全向辐射特性——水平方向360度范围内信号均匀分布，确保复杂姿态下的通信可靠性。

四、应用场景：从健康监测到无线通信

基于上述技术特性，研究团队展示了多个具有实际应用价值的场景：

膝关节运动监测

将电子贴片贴附于膝盖部位，可在行走、弯曲过程中实时捕捉关节角度变化。由于弯曲角度与贴片拉伸位移呈线性关系，后端系统通过解析接收信号即可重构运动轨迹，为康复评估与运动科学提供数据支持。

手指姿态感知

器件微型化至0.8厘米×2厘米后，仍能保持40米有效通信距离。贴附于指关节处，可无线感知手指弯曲状态，适用于手势识别、虚拟现实交互等场景。

无源通信腕带

更具想象力的是通信功能的实现。研究团队开发了一款自供电腕带，通过向不同方向施加剪切力，可分别激发220MHz与380MHz两种频率的电磁波，对应逻辑值"0"与"1"。利用这一二进制编码系统，用户可发送"停止""前进"等预定义指令，实现无需电池、无需充电的远距离无线通信。

五、学术价值与产业前景

这项研究首次将摩擦电效应与电磁波辐射相结合，开创了无芯片无线感知的新范式。其价值体现在三个层面：

学术层面——建立了摩擦电-电磁耦合的完整理论体系，为后续研究提供了方法论指导。

技术层面——证明了无芯片架构在长距离通信中的可行性，打破了"无芯片即短距离"的固有认知。

应用层面——器件结构简单、成本低廉、易于规模化制造，具备向医疗监测、人机交互、户外救援等领域快速转化的潜力。

六、研究团队

本研究由中国科学院北京纳米能源与系统研究所完成，通讯作者为唐伟研究员与王中林院士。

唐伟研究员为国家高层次青年人才，长期从事界面功能电子研究，在《Nature Energy》《Nature Communications》等期刊发表论文百余篇，入选全球前2%顶尖科学家榜单。

王中林院士为纳米能源领域奠基人，中国科学院外籍院士，荣获爱因斯坦世界科学奖、埃尼奖、全球能源奖等国际顶级荣誉，开创了基于纳米发电机的自驱动系统与蓝色能源研究方向。

第一作者包括黎承煜博士（现香港理工大学博士后）、徐淑星博士与赵恩博士。

结语

当技术回归本质，极简结构往往孕育最大创新。这款无芯片、自供电、超远距离无线电子贴片，以其优雅的工作原理与卓越的性能表现，为可穿戴电子设备的未来发展指明了新方向。

在不远的将来，我们或许将告别频繁充电的智能手环，告别厚重僵硬的监测设备，取而代之的是如皮肤般贴合、如衣物般轻便、永不掉线的智能贴片——这正是无芯片架构带来的美好愿景。