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  香港中文大學研發(fā)超薄自供電無線傳感電子標簽

發(fā)布日期：2022/6/7 10:53:37      瀏覽量：

據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港中文大學機械及自動化工程系的一支研究團隊最近開發(fā)出一種自供電無線傳感電子標簽（Self-powered Wireless Sensing E-sticker，SWISE）。

SWISE可以將手指觸摸電子標簽的能量轉換為電磁波信號，無需電池或電線即可實現(xiàn)無線傳輸。利用靈活、超薄、有效傳輸距離遠的優(yōu)勢，SWISE可以進一步推動智能傳感和遠程控制技術的發(fā)展。這項研究結果已發(fā)表在國際知名期刊《Science Advances》上，該研究團隊將與科技公司合作，將相關智能產(chǎn)品推向市場。

此外，該研究團隊還發(fā)明了一種新型摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG），其功率輸出遠遠超過現(xiàn)有的TENG。這項發(fā)明可以為以下兩個應用鋪平道路：（1）使用TENG為家用電器供電；（2）提供替代的可再生能源選擇。

無線傳感電子標簽

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展是建設智慧城市的關鍵，其中傳感器充當物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的眼睛、耳朵、鼻子、皮膚等感覺器官。這些傳感器負責收集光線、聲音、氣體、溫度、壓力等物理量，并將其轉換為電子信號進行處理分析。一些研究人員預測，未來幾年將有數(shù)十億個傳感器節(jié)點連接到物聯(lián)網(wǎng)，形成一個物理信息傳感網(wǎng)絡。

然而，傳統(tǒng)的無線傳感和傳輸技術仍然需要多個獨立的模塊進行傳感、信號調制、傳輸、電源和管理等，這使得整個系統(tǒng)體積龐大、功耗高、價格昂貴。這無疑限制了無線傳感技術的應用場景，增加了維護成本和難度。

由香港中文大學機械及自動化工程系助理教授Zi Yunlong教授領導的研究團隊，設計了一款基于智能材料的電子標簽：SWISE，將傳統(tǒng)無線傳感系統(tǒng)的四個功能模塊組合成一個單元。

SWISE是一種柔軟靈活的電子薄膜（最薄的地方僅為95μm，小于兩根頭發(fā)的寬度），其在放電過程中產(chǎn)生位移電流，實現(xiàn)基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的自供電無線傳感。

SWISE具有三層結構：中間一層是帶兩個電極的金屬膜，外面兩層是摩擦電荷層和基底層。當手指在SWISE的摩擦電荷層上滑動產(chǎn)生摩擦電荷時，會出現(xiàn)放電效應，從而將手指運動的動能轉化為電磁信號。該研究團隊已經(jīng)證明，電磁信號可以在沒有外部電源的情況下傳輸很長的距離（最遠可達30米）。

多點傳感能力可通過區(qū)分不同設計參數(shù)產(chǎn)生的信號來實現(xiàn)，進而使這種傳感器能夠廣泛應用于智慧城市的不同場景。因此，該研究團隊設計了具有不同參數(shù)的器件，例如通過改變器件的電感，使SWISE可以產(chǎn)生不同特性和頻譜的信號，從而擴展了其應用范圍。除了智慧城市，SWISE也有望在未來應用于智能服裝、機器人、醫(yī)療、人機界面、虛擬現(xiàn)實（VR）等。

此外，該研究團隊正在探索SWISE在氣體檢測方面的應用潛力。他們發(fā)現(xiàn)，當金屬膜的兩個電極之間的氣體成分發(fā)生變化時，位移電流產(chǎn)生的電磁信號的頻譜會發(fā)生輕微的變化。他們通過人工智能（AI）和深度學習技術，成功區(qū)分了十種不同氣體成分和濃度組合（包括氬氣、二氧化碳、氦氣、氮氣和普通的空氣）的信號特征，識別準確率達到98.5%。

該研究團隊反復測試了SWISE傳感系統(tǒng)及其應用，例如無線軟鍵盤和智能手環(huán)。測試結果充分證明了SWISE在無線傳感和遠程控制方面具有巨大的應用潛力。預計將進一步推動智能傳感和遙控技術的發(fā)展，以及香港智慧城市的發(fā)展。

該研究項目由香港研究資助局早期職業(yè)生涯計劃、香港特區(qū)政府研究基金、香港創(chuàng)新及科技基金、騰訊大學合作計劃資助。

具有高功率輸出的新型摩擦納米發(fā)電機（TENG）

TENG使得SWISE能夠在放電過程中產(chǎn)生位移電流，實現(xiàn)自供電無線傳感。TENG不僅可以通過手指觸摸來發(fā)電，還可以收集環(huán)境中的機械運動，例如水波、風、雨滴和生物力學運動，以生產(chǎn)清潔和可再生能源。然而，TENG受到兩個基本限制：（1）低電荷轉移；（2）高輸出阻抗，這導致低輸出功率和有限的應用。

最近，香港中文大學Zi Yunlong教授和他的團隊開發(fā)了一種反向電荷增強型晶體管類摩擦納米發(fā)電機（OCT-TENG），能夠在約1Hz的低頻下提供超過10MW/m2的瞬時功率密度，遠遠超過以前的報道。

為了展示這項新發(fā)明的高性能，Zi Yunlong團隊使用OCT-TENG點亮了一盞180W的商用燈，以及通過無線供電方式點亮一個額定功率為30W的車載LED燈泡。這些實驗結果創(chuàng)造了TENG的高功率輸出記錄。相關成果發(fā)表在著名的《Nature Communications》期刊上。