王中林院士、唐偉研究員團隊，首篇Nature?Sensors！

自供電電子貼片

可穿戴電子貼片在邁向長期應用時面臨三大核心挑戰：與人體皮膚的機械不匹配、對電池的依賴以及無線傳輸距離短（如近場通信僅厘米級），這些瓶頸嚴重限制了其實際應用。

鑒于此，中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和唐偉研究員研究出了一種全新的、完全無芯片、自供電的無線電子貼片。該器件結構極其簡單，僅由一個介電層和兩個圖案化的金屬層構成，通過摩擦起電誘導產生的電磁波實現傳感與通信功能。其無線工作距離突破了驚人的96米，成功將自供能傳感從厘米級推向了近百米級。研究團隊展示了該貼片在膝關節和手指彎曲監測方面的應用，并進一步開發了可用于二進制編碼消息傳遞的通信腕帶，為可穿戴傳感與無線通信領域提供了一種顛覆性的實用策略（圖1a, b）。相關研究成果以題為“Chip-less, self-powered electronic patch for wireless sensing and communication”發表在最新一期《nature sensors》上。

單元器件設計：摩擦起電，激發無線信號

電子貼片的基本單元由上層的滑動金屬、中間的介電層（聚四氟乙烯，PTFE）以及包含電極和天線的下層接觸金屬組成（圖1c）。其工作原理基于摩擦起電：當上層金屬在介電層表面滑動時，由于材料電負性差異，兩者之間發生電荷轉移，形成電勢差。這一過程可被建模為一個電容和電壓源。當滑動金屬與下層接觸金屬瞬間接觸時，會釋放瞬時電流，導致放電尖端的電場急劇變化，從而向空氣中輻射電磁波，實現無線信號激發。通過電路模型分析，電磁波的頻率由天線電感和空間電容決定。實驗顯示，一個典型的基本單元在接觸時可產生約50 μA的瞬時電流，而在1米外的接收天線可以捕獲到峰峰值電壓為5.5 V的電磁信號。對該信號的快速傅里葉變換分析顯示，其發射頻率約為259 MHz，與理論計算值283 MHz高度吻合（圖1d-f）。

圖 1 貼片基本單元的設計和特性

單元器件性能：參數調控，距離驚人

研究團隊對單元器件進行了系統性的性能表征。實驗發現，增大摩擦接觸面積、減小介電層厚度，可以增強激發源的輸出，從而提升接收信號的振幅，但對信號頻率影響甚微（圖2b, c）。同樣，提高滑動頻率和正向壓力也能增強信號強度（圖2d）。更重要的是，信號的頻率可以通過調節天線圖案的尺寸進行有效調控：天線越長，電感越大，信號頻率越低（圖2e）。在傳輸距離測試中，器件表現出了卓越的全向發射能力（圖2g）。在一個長達96米的室內直視距離測試中，接收端依然能清晰地捕捉到設備發出的電磁信號，其信號強度隨距離的衰減與近場和遠場功率鏈路預算模型高度吻合（圖2h, i）。

圖 2 基本單元的無線性能

陣列化器件設計：矢量傳感，信息編碼

為了賦予電子貼片更復雜的感知能力，研究團隊開發了包含陣列化單元的電子貼片（圖3a）。該器件采用網格狀電極設計，當滑動金屬依次滑過接觸金屬的不同條紋時，會觸發一連串的電磁波信號（圖3c）。通過計算信號峰值的數量，可以精確獲取滑動位移，實現了矢量化的位移傳感。實驗證明，電極條紋寬度越窄，相同位移下的信號峰越多，位移分辨率越高（圖3e）。此外，通過在器件上集成兩種不同長度的天線圖案，可以實現雙頻發射（約255 MHz和490 MHz），從而在往復滑動過程中通過分析接收到的不同頻率信號，實現運動方向的判別（圖3f, g）。

圖 3 陣列器件的結構和表征

電子貼片應用：柔性穿戴，遠程通信

基于上述設計，研究團隊制造了一款完全柔性、可拉伸的電子貼片，其最大應變可達80%，并能承受高達220,000次的拉伸循環，展現出優異的耐用性和穿戴舒適性（圖4a-d）。將其貼附于人體膝關節處，即可在彎曲和伸直過程中實時發射電磁信號。由于膝關節彎曲角度與貼片的拉伸位移呈線性關系，通過分析接收到的信號即可無線監測人體運動狀態（圖4e, f）。進一步將貼片微型化至0.8 cm × 2 cm，仍能實現高達40米的手指彎曲無線傳感。除了傳感，該貼片還能作為一種無線通信工具。團隊展示的一款無芯片自供電腕帶，通過向不同方向施加剪切力，可以激發出分別代表邏輯值“1”和“0”的兩種特征頻率電磁波（220 MHz和380 MHz）（圖4h）。利用這種二進制編碼系統，腕帶可以發送如“停止”、“前進”等預定義指令，實現了無源、長距離的無線信息傳輸（圖4i, j）。

圖 4 可穿戴電子貼片和通信腕帶的應用

總結與展望

本研究是一種基于摩擦起電和瞬變電場激發電磁波的全新電子貼片。它完全摒棄了傳統芯片和電池，實現了自供能、長距離（>96米）的無線傳感與通信。該貼片兼具柔性、可拉伸性、高耐用性（22萬次拉伸循環）、毫米級位移分辨率以及信息編碼能力。研究團隊認為，這種創新方案為可穿戴傳感、生物醫學健康監測、人機交互以及短距離無線信息通信等領域開辟了廣闊的應用前景。