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研究背景

隨著可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，皮膚界面的可伸縮電子學(xué)備受關(guān)注。這一領(lǐng)域的進(jìn)步推動(dòng)了各種應(yīng)用的涌現(xiàn)，從皮膚界面醫(yī)療設(shè)備到人機(jī)界面、軟體機(jī)器人再到觸覺(jué)界面。然而，在這一研究領(lǐng)域中，基板的選擇卻是一個(gè)被忽視但至關(guān)重要的問(wèn)題?；逯苯佑绊懼漕l（RF）電子設(shè)備的電氣性能，尤其是具有無(wú)線功能的RF電子。然而，現(xiàn)有的彈性體基板存在一系列問(wèn)題，包括在彈性應(yīng)變下引起的電子性能變化、較高的介電損耗和熱性能差等。其中，尤其令人擔(dān)憂的是，可伸縮RF設(shè)備在受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)，操作頻率會(huì)發(fā)生顯著偏移，甚至在小應(yīng)變下也會(huì)如此。這種問(wèn)題嚴(yán)重影響了無(wú)線性能，因?yàn)榛宓慕殡姵?shù)在應(yīng)變下保持不變。

針對(duì)這一問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)始尋求新的彈性基板材料，以解決現(xiàn)有材料所存在的缺陷。他們希望找到一種材料，具有可調(diào)諧的介電常數(shù)，能夠隨著應(yīng)變的變化而線性調(diào)節(jié)，并且具有低介電損耗和良好的熱導(dǎo)率。這樣的材料能夠有效地保持RF電子設(shè)備的原始特性，從而避免無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度或功率傳輸效率的降低。然而，在尋找合適的材料時(shí)，科學(xué)家們面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)橐筮@種材料既具有機(jī)械柔韌性，又具有良好的電氣性能和熱學(xué)性能。

圖文導(dǎo)讀

為了解決這一問(wèn)題，韓國(guó)首爾漢陽(yáng)大學(xué)Hyoungsuk Yoo & Yei Hwan Jung團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了題為“Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics”的最新論文。他們提出了一種名為“dielectro-elastic elastomer”（DEE）的新型材料。這種材料具有介電常數(shù)隨應(yīng)變變化的特性，能夠有效地調(diào)節(jié)RF電子設(shè)備的特性，從而防止操作頻率的偏移。DEE通過(guò)將高κ陶瓷納米顆粒嵌入彈性體基體中，形成了復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。該復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著拉伸而線性減小，從而有效地保持了RF電子設(shè)備的原始特性。相比之下，傳統(tǒng)的彈性體基板在應(yīng)變下的介電常數(shù)幾乎不變。這一研究為皮膚界面的可伸縮電子學(xué)開(kāi)辟了新的研究方向，為未來(lái)可穿戴技術(shù)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

他，師出柔性電子之父/四院院士John A.Rogers，新發(fā)重磅Nature!

圖文解讀

這項(xiàng)研究旨在解決可伸縮射頻（RF）電子設(shè)備在受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)頻率特性發(fā)生變化的問(wèn)題，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致無(wú)線性能下降。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究者進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果集中在圖1中。圖1a示意出了提出的應(yīng)變不變可伸縮無(wú)線系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的差異，主要是在避免天線共振頻率的偏移。圖1b展示了由介電-彈性復(fù)合材料（DEE）構(gòu)成的基板，拉伸DEE會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。具體而言，DEE表現(xiàn)出與應(yīng)變線性相關(guān)的介電常數(shù)下降。與傳統(tǒng)彈性體相比，DEE具有更低的介電損耗和更好的介電常數(shù)變化。圖1c和1d顯示了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，表明DEE在30%應(yīng)變下的介電常數(shù)變化和損耗切線。圖1e對(duì)比了使用不同基板制備的可伸縮天線在操作頻率上的偏移。DEE基板制備的天線顯示出相對(duì)較小的頻率偏移，表現(xiàn)出更好的應(yīng)變不變性。這些結(jié)果表明，DEE作為基板材料能夠有效地維持射頻電子設(shè)備的性能穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信和能量傳輸?shù)母咝省Ｒ虼?，該研究為開(kāi)發(fā)高性能的可伸縮射頻電子設(shè)備提供了重要的基礎(chǔ)。

圖1：通過(guò)電彈性復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變不變可伸縮無(wú)線系統(tǒng)。

圖2描述了DEEs（介電彈性體復(fù)合材料）的制備過(guò)程及其電學(xué)和機(jī)械性能表征。在圖2a中，展示了合成DEE的步驟，具體步驟見(jiàn)附錄圖4和附錄視頻1。圖2b展示了通過(guò)模壓工藝形成的薄膜DEE，厚度約為700μm。圖2c的立體顯微鏡圖像顯示，BaTiO3納米顆粒在Ecoflex基體中形成了平均直徑約為120μm的團(tuán)簇。在30%應(yīng)變下，這些團(tuán)簇從球形變形為橢圓形。圖2d的SEM圖像進(jìn)一步證實(shí)了這一變形，顯示納米顆粒在應(yīng)變下從球形重新排列為橢圓形。在圖2e中，比較了Ecoflex和DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的有效介電常數(shù)（εeff）變化。在30%應(yīng)變下，Ecoflex的Δεeff-30%幾乎可以忽略，而DEE在這兩個(gè)頻率下的Δεeff-30%分別約為2.10和1.95。圖2f通過(guò)多物理場(chǎng)模擬展示了在30%應(yīng)變下DEE中電場(chǎng)分布的變化。圖2g顯示，DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的損耗切線值明顯低于Ecoflex。圖2h和圖2i展示了使用不同高介電常數(shù)納米顆粒（如BaTiO3、SrTiO3和Al2O3）制備的DEE與均勻分散的復(fù)合材料在30%應(yīng)變下的介電常數(shù)和損耗切線的比較。結(jié)果表明，基于BaTiO3的DEE表現(xiàn)出最大的Δεeff-30%。

圖2j的有限元分析（FEA）結(jié)果顯示，與基于均勻分布BaTiO3微粒的復(fù)合材料相比，DEE在30%應(yīng)變下顯示出更低的應(yīng)力集中，因而具有更好的機(jī)械柔性。圖2k顯示了不同類型復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，證明DEE在拉伸斷裂時(shí)具有更高的應(yīng)變和更低的模量。圖2l展示了不同體積分?jǐn)?shù)的納米顆粒對(duì)DEE伸展性和介電-彈性響應(yīng)的影響，確定了10%的最佳體積分?jǐn)?shù)。圖2的實(shí)驗(yàn)證明了DEE在介電性能和機(jī)械柔性方面的優(yōu)越性，并展示了其在實(shí)際RF元件中的應(yīng)用潛力。

圖2. DEE的制備和表征。

圖3則展示了DEE在實(shí)際RF元件中的應(yīng)用。圖3a顯示了基于DEE的可伸縮貼片天線的結(jié)構(gòu)和照片。圖3b和圖3c的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ecoflex基板上的天線在30%應(yīng)變下的諧振頻率從2.4 GHz顯著移動(dòng)到1.9 GHz，而DEE基板上的天線在相同應(yīng)變下保持在2.4 GHz附近，頻移不到0.01 GHz。圖3d顯示了在30%應(yīng)變下基于Ecoflex的天線和DEE天線的無(wú)線整流天線性能，結(jié)果表明DEE基板的整流天線在應(yīng)變下仍能點(diǎn)亮LED，而Ecoflex基板的則不能。圖3e至圖3h展示了基于DEE的可伸縮近場(chǎng)感應(yīng)線圈。圖3e顯示了在DEE上印刷的矩形螺旋電感器的結(jié)構(gòu)和照片。圖3f和圖3g的結(jié)果表明，Ecoflex基板上的線圈在30%應(yīng)變下的諧振頻率從13.56 MHz顯著下降，而DEE基板上的線圈諧振頻率保持穩(wěn)定。圖3h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于DEE的無(wú)線能量收集系統(tǒng)在30%應(yīng)變下仍能點(diǎn)亮LED，而Ecoflex基板的系統(tǒng)則不能。

圖3i至圖3l展示了基于DEE的可伸縮共面波導(dǎo)（CPW）傳輸線。圖3i顯示了在DEE上印刷的CPW的結(jié)構(gòu)和照片。圖3j和圖3k的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ecoflex基板上的傳輸線在30%應(yīng)變下的傳輸效率和諧振頻率顯著下降，而DEE基板上的傳輸線則保持穩(wěn)定。圖3l的照片演示了在30%應(yīng)變下基于Ecoflex和DEE的傳輸線的功率傳輸能力，結(jié)果顯示DEE基板的傳輸線性能優(yōu)于Ecoflex基板的。綜上所述，這些結(jié)果表明DEE是一種有前途的材料，適用于可伸縮射頻電子設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖3. 應(yīng)變不變可伸縮射頻器件的設(shè)計(jì)和表征。

圖4展示了基于DEE的皮膚界面無(wú)線系統(tǒng)的性能和應(yīng)用。圖4a顯示了該系統(tǒng)的照片，包括遠(yuǎn)場(chǎng)天線、近場(chǎng)線圈和血脈搏率監(jiān)測(cè)器。圖4b展示了該系統(tǒng)在不同機(jī)械應(yīng)力（如彎曲、扭曲和壓縮）下的柔順性，證明其不會(huì)因變形而損壞。圖4c顯示了該系統(tǒng)佩戴在手腕上以監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏信號(hào)的情況。該系統(tǒng)能夠在0至30米范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定的遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線通信，如圖4d所示。在圖4e中，常規(guī)彈性體上的天線在系統(tǒng)被拉伸至30%時(shí)因失效導(dǎo)致無(wú)線連接中斷。而在圖4f中，DEE系統(tǒng)即使在相同的拉伸條件下，仍能連續(xù)傳輸傳感器數(shù)據(jù)，與有線設(shè)備的數(shù)據(jù)同步。圖4g和圖4h分別展示了常規(guī)彈性體和DEE系統(tǒng)在拉伸至30%時(shí)獲取的動(dòng)脈脈搏信號(hào)。常規(guī)彈性體系統(tǒng)在1米距離內(nèi)無(wú)法傳輸信號(hào)，而DEE系統(tǒng)在相同條件下能保持穩(wěn)定的無(wú)線通信，顯示出與有線系統(tǒng)相同的脈搏圖。綜上所述，這些圖展示了基于DEE的可伸縮RF元件在不同應(yīng)變條件下的優(yōu)越性能，以及其在無(wú)線健康監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用。

圖4. 基于應(yīng)變不變射頻器件的皮膚界面無(wú)線系統(tǒng)。

圖5介紹了基于DEE的可穿戴仿生帶，用于全身生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。圖5a展示了用于測(cè)量頭部EEG信號(hào)的仿生帶示意圖。圖5b顯示了DEE天線在0%和50%應(yīng)變下的照片，證明其在拉伸過(guò)程中仍能保持性能。圖5c比較了DEE和常規(guī)彈性體天線在0-60%應(yīng)變范圍內(nèi)的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，DEE天線在整個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而常規(guī)彈性體天線在15%應(yīng)變時(shí)信號(hào)強(qiáng)度大幅下降。圖5d展示了仿生帶在幼兒和成人頭部的佩戴示意圖，并顯示了佩戴在成人頭部的照片。

圖5e和圖5f展示了分別在幼兒和成人頭部佩戴仿生帶測(cè)量的EEG信號(hào)頻譜圖。閉眼時(shí)8-12Hz頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)信號(hào)代表α波，表明仿生帶能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)EEG信號(hào)。圖5g展示了佩戴在膝蓋上的仿生帶，集成了應(yīng)變計(jì)用于跟蹤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。圖5h顯示了在0至30米無(wú)線距離內(nèi)傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。圖5i展示了佩戴在屈肌腕尺肌上的仿生帶測(cè)量的EMG信號(hào)，并在0米和30米距離內(nèi)成功傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備。圖5j展示了基于手腕佩戴仿生帶的體溫監(jiān)測(cè)情況，圖5k展示了仿生帶在0米、15米和30米無(wú)線距離內(nèi)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)皮膚溫度數(shù)據(jù)。圖5的結(jié)果表明，DEE系統(tǒng)在各種拉伸和變形情況下都能保持穩(wěn)定的無(wú)線通信和傳感器數(shù)據(jù)傳輸，這為未來(lái)可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展提供了重要參考。

圖5：用于全身生理監(jiān)測(cè)的應(yīng)變不變可穿戴仿生帶。

研究結(jié)論

本文創(chuàng)造了一種新型的可伸縮RF電子設(shè)備，該設(shè)備能夠在各種彈性應(yīng)變下保持其初始電氣特性，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高性能的無(wú)線通信和電力傳輸能力。通過(guò)引入可調(diào)介電特性的DEE作為基底材料，并通過(guò)在其基質(zhì)中嵌入高介電常數(shù)納米顆粒簇來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變不變的RF特性。這種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)策略為開(kāi)發(fā)具有彈性和伸縮性的電子設(shè)備提供了全新的思路，并為諸多領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了潛在的革新。此外，本文展示了一系列應(yīng)用場(chǎng)景，如皮膚界面健康監(jiān)測(cè)設(shè)備和全身健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，這些應(yīng)用將無(wú)線通信和電力傳輸功能與可伸縮性相結(jié)合，為未來(lái)的可穿戴電子設(shè)備和智能醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的方向。

文獻(xiàn)信息

Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/06/04/524ca2ac0c/

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