無芯片自供電無線電子貼片：突破96米傳輸距離，開啟可穿戴感知新紀(jì)元

導(dǎo)語：當(dāng)傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備還在為電池續(xù)航和芯片依賴所困擾時(shí)，一項(xiàng)顛覆性技術(shù)正悄然改變游戲規(guī)則。中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所唐偉研究員、王中林院士團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表于《Nature Sensors》的研究成果，成功打造出一種完全無芯片、自供電的無線電子貼片，將無線傳輸距離從厘米級(jí)一舉突破至96米以上，為智慧醫(yī)療與人機(jī)交互開辟了全新可能。

一、技術(shù)瓶頸：可穿戴電子的三座大山

可穿戴電子設(shè)備作為智慧醫(yī)療與人機(jī)交互的核心載體，其大規(guī)模應(yīng)用長期面臨三大瓶頸：

機(jī)械不匹配——?jiǎng)傂孕酒c柔性皮膚之間的本質(zhì)矛盾，導(dǎo)致佩戴不適、信號(hào)漂移；

能源依賴——傳統(tǒng)方案離不開電池供能，續(xù)航焦慮與更換成本制約長期監(jiān)測(cè)；

通信受限——現(xiàn)有無芯片方案多采用近場(chǎng)通信技術(shù)，有效距離僅數(shù)厘米，實(shí)用性大打折扣。

如何同時(shí)破解柔性化、無線化、持續(xù)供能三大難題，成為學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

二、核心創(chuàng)新：摩擦起電激發(fā)電磁波

唐偉研究員與王中林院士團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了一種基于摩擦電效應(yīng)的全新無線傳感機(jī)制。該電子貼片結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)，僅由介電層（聚四氟乙烯薄膜）和兩層圖案化金屬電極構(gòu)成，卻實(shí)現(xiàn)了令人驚嘆的功能躍升。

工作原理揭秘：

當(dāng)上層金屬層在介電表面滑動(dòng)時(shí)，由于材料間電負(fù)性差異，界面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，形成瞬時(shí)電勢(shì)差。這一瞬態(tài)電場(chǎng)變化通過天線結(jié)構(gòu)向空間輻射電磁波，完成信號(hào)的無線激發(fā)與傳輸。整個(gè)過程無需外部電源，無需集成電路，僅憑機(jī)械滑動(dòng)即可產(chǎn)生并發(fā)射電磁信號(hào)。

理論模型完整涵蓋了摩擦界面電子轉(zhuǎn)移、電磁信號(hào)激發(fā)、無線傳輸鏈路預(yù)算及接收端耦合四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為器件優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

三、性能突破：從毫米感知到百米通信

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)器件進(jìn)行了系統(tǒng)性性能驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：

超遠(yuǎn)傳輸距離——室內(nèi)直視條件下，信號(hào)有效傳輸距離超過96米，較現(xiàn)有無芯片技術(shù)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，成功將自供能傳感推向百米級(jí)應(yīng)用。

優(yōu)異機(jī)械性能——器件可拉伸至原長的180%，耐受20萬次以上拉伸循環(huán)，完美適配人體曲面與運(yùn)動(dòng)形變。

毫米級(jí)分辨率——采用陣列化柵格設(shè)計(jì)，通過計(jì)數(shù)信號(hào)脈沖數(shù)量實(shí)現(xiàn)位移精確測(cè)量，分辨率可達(dá)毫米量級(jí)。

雙頻編碼通信——集成不同尺寸天線，可同時(shí)發(fā)射255MHz與500MHz兩種特征頻率，支持矢量傳感與二進(jìn)制信息編碼。

全向輻射特性——水平方向360度范圍內(nèi)信號(hào)均勻分布，確保復(fù)雜姿態(tài)下的通信可靠性。

四、應(yīng)用場(chǎng)景：從健康監(jiān)測(cè)到無線通信

基于上述技術(shù)特性，研究團(tuán)隊(duì)展示了多個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的場(chǎng)景：

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

將電子貼片貼附于膝蓋部位，可在行走、彎曲過程中實(shí)時(shí)捕捉關(guān)節(jié)角度變化。由于彎曲角度與貼片拉伸位移呈線性關(guān)系，后端系統(tǒng)通過解析接收信號(hào)即可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，為康復(fù)評(píng)估與運(yùn)動(dòng)科學(xué)提供數(shù)據(jù)支持。

手指姿態(tài)感知

器件微型化至0.8厘米×2厘米后，仍能保持40米有效通信距離。貼附于指關(guān)節(jié)處，可無線感知手指彎曲狀態(tài)，適用于手勢(shì)識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)交互等場(chǎng)景。

無源通信腕帶

更具想象力的是通信功能的實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款自供電腕帶，通過向不同方向施加剪切力，可分別激發(fā)220MHz與380MHz兩種頻率的電磁波，對(duì)應(yīng)邏輯值"0"與"1"。利用這一二進(jìn)制編碼系統(tǒng)，用戶可發(fā)送"停止""前進(jìn)"等預(yù)定義指令，實(shí)現(xiàn)無需電池、無需充電的遠(yuǎn)距離無線通信。

五、學(xué)術(shù)價(jià)值與產(chǎn)業(yè)前景

這項(xiàng)研究首次將摩擦電效應(yīng)與電磁波輻射相結(jié)合，開創(chuàng)了無芯片無線感知的新范式。其價(jià)值體現(xiàn)在三個(gè)層面：

學(xué)術(shù)層面——建立了摩擦電-電磁耦合的完整理論體系，為后續(xù)研究提供了方法論指導(dǎo)。

技術(shù)層面——證明了無芯片架構(gòu)在長距離通信中的可行性，打破了"無芯片即短距離"的固有認(rèn)知。

應(yīng)用層面——器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于規(guī)?；圃?，具備向醫(yī)療監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、戶外救援等領(lǐng)域快速轉(zhuǎn)化的潛力。

六、研究團(tuán)隊(duì)

本研究由中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所完成，通訊作者為唐偉研究員與王中林院士。

唐偉研究員為國家高層次青年人才，長期從事界面功能電子研究，在《Nature Energy》《Nature Communications》等期刊發(fā)表論文百余篇，入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。

王中林院士為納米能源領(lǐng)域奠基人，中國科學(xué)院外籍院士，榮獲愛因斯坦世界科學(xué)獎(jiǎng)、埃尼獎(jiǎng)、全球能源獎(jiǎng)等國際頂級(jí)榮譽(yù)，開創(chuàng)了基于納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與藍(lán)色能源研究方向。

第一作者包括黎承煜博士（現(xiàn)香港理工大學(xué)博士后）、徐淑星博士與趙恩博士。

結(jié)語

當(dāng)技術(shù)回歸本質(zhì)，極簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)往往孕育最大創(chuàng)新。這款無芯片、自供電、超遠(yuǎn)距離無線電子貼片，以其優(yōu)雅的工作原理與卓越的性能表現(xiàn)，為可穿戴電子設(shè)備的未來發(fā)展指明了新方向。

在不遠(yuǎn)的將來，我們或許將告別頻繁充電的智能手環(huán)，告別厚重僵硬的監(jiān)測(cè)設(shè)備，取而代之的是如皮膚般貼合、如衣物般輕便、永不掉線的智能貼片——這正是無芯片架構(gòu)帶來的美好愿景。