香港中文大学研发超薄自供电无线传感电子标签

发布日期：2022/6/7 10:53:37      浏览量：

据麦姆斯咨询报道，香港中文大学机械及自动化工程系的一支研究团队最近开发出一种自供电无线传感电子标签（Self-powered Wireless Sensing E-sticker，SWISE）。

SWISE可以将手指触摸电子标签的能量转换为电磁波信号，无需电池或电线即可实现无线传输。利用灵活、超薄、有效传输距离远的优势，SWISE可以进一步推动智能传感和远程控制技术的发展。这项研究结果已发表在国际知名期刊《Science Advances》上，该研究团队将与科技公司合作，将相关智能产品推向市场。

此外，该研究团队还发明了一种新型摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG），其功率输出远远超过现有的TENG。这项发明可以为以下两个应用铺平道路：（1）使用TENG为家用电器供电；（2）提供替代的可再生能源选择。

无线传感电子标签

物联网（IoT）的发展是建设智慧城市的关键，其中传感器充当物联网系统的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等感觉器官。这些传感器负责收集光线、声音、气体、温度、压力等物理量，并将其转换为电子信号进行处理分析。一些研究人员预测，未来几年将有数十亿个传感器节点连接到物联网，形成一个物理信息传感网络。

然而，传统的无线传感和传输技术仍然需要多个独立的模块进行传感、信号调制、传输、电源和管理等，这使得整个系统体积庞大、功耗高、价格昂贵。这无疑限制了无线传感技术的应用场景，增加了维护成本和难度。

由香港中文大学机械及自动化工程系助理教授Zi Yunlong教授领导的研究团队，设计了一款基于智能材料的电子标签：SWISE，将传统无线传感系统的四个功能模块组合成一个单元。

SWISE是一种柔软灵活的电子薄膜（最薄的地方仅为95μm，小于两根头发的宽度），其在放电过程中产生位移电流，实现基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供电无线传感。

SWISE具有三层结构：中间一层是带两个电极的金属膜，外面两层是摩擦电荷层和基底层。当手指在SWISE的摩擦电荷层上滑动产生摩擦电荷时，会出现放电效应，从而将手指运动的动能转化为电磁信号。该研究团队已经证明，电磁信号可以在没有外部电源的情况下传输很长的距离（最远可达30米）。

多点传感能力可通过区分不同设计参数产生的信号来实现，进而使这种传感器能够广泛应用于智慧城市的不同场景。因此，该研究团队设计了具有不同参数的器件，例如通过改变器件的电感，使SWISE可以产生不同特性和频谱的信号，从而扩展了其应用范围。除了智慧城市，SWISE也有望在未来应用于智能服装、机器人、医疗、人机界面、虚拟现实（VR）等。

此外，该研究团队正在探索SWISE在气体检测方面的应用潜力。他们发现，当金属膜的两个电极之间的气体成分发生变化时，位移电流产生的电磁信号的频谱会发生轻微的变化。他们通过人工智能（AI）和深度学习技术，成功区分了十种不同气体成分和浓度组合（包括氩气、二氧化碳、氦气、氮气和普通的空气）的信号特征，识别准确率达到98.5%。

该研究团队反复测试了SWISE传感系统及其应用，例如无线软键盘和智能手环。测试结果充分证明了SWISE在无线传感和远程控制方面具有巨大的应用潜力。预计将进一步推动智能传感和遥控技术的发展，以及香港智慧城市的发展。

该研究项目由香港研究资助局早期职业生涯计划、香港特区政府研究基金、香港创新及科技基金、腾讯大学合作计划资助。

具有高功率输出的新型摩擦纳米发电机（TENG）

TENG使得SWISE能够在放电过程中产生位移电流，实现自供电无线传感。TENG不仅可以通过手指触摸来发电，还可以收集环境中的机械运动，例如水波、风、雨滴和生物力学运动，以生产清洁和可再生能源。然而，TENG受到两个基本限制：（1）低电荷转移；（2）高输出阻抗，这导致低输出功率和有限的应用。

最近，香港中文大学Zi Yunlong教授和他的团队开发了一种反向电荷增强型晶体管类摩擦纳米发电机（OCT-TENG），能够在约1Hz的低频下提供超过10MW/m²的瞬时功率密度，远远超过以前的报道。

为了展示这项新发明的高性能，Zi Yunlong团队使用OCT-TENG点亮了一盏180W的商用灯，以及通过无线供电方式点亮一个额定功率为30W的车载LED灯泡。这些实验结果创造了TENG的高功率输出记录。相关成果发表在著名的《Nature Communications》期刊上。