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。
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.