为了实现第四次工业革命，在21世纪头十年落地的物联网(IoT)在许多领域都在展现其惊人的能力，例如在2019年冠状病毒病大流行期间以智能方式保证医院供应链。为了在不同的领域释放物联网的巨大潜力，基于电磁波的无线传感和传输被作为核心技术提出了很高的要求。例如，当前用于智能应用的机器人仍然受到布线电缆巨大复杂性和移动性限制的困扰，给设计、运动控制和维护带来了极大的不便和障碍。物联网的快速发展依赖于无线设备及其网络的快速发展。然而，传统的无线传感和传输技术仍然需要多个模块进行传感、信号调制、传输和供电，这使得整个系统体积庞大、僵化和成本高昂。
香港中文大学訾云龙教授、中科院北京纳米能源与纳米系统研究所王中林院士和腾讯Robotics X机器人实验室的Dai Yuan合作提出了一种基于击穿放电诱导位移电流的范式转换无线传感解决方案。通过这种方式，可以将传统的无线传感和传输技术的功能模块组合成一个单元的自供电无线传感电子标签(SWISE)，与现有的无线传感技术相比，它具有体积小(9 mm×9 mm)和有效传输距离长(>30m)的特点。此外，SWISE还具有完全自主的多点运动传感和气体检测功能。这项工作提出了一种灵活的自供电无线传感平台解决方案，在植入式和穿戴式电子产品、机器人、医疗保健、基础设施监控、人机界面、虚拟现实等领域显示出巨大的潜力。相关工作以题为“A paradigm shift fully self-powered long-distance wireless sensing solution enabled by discharge-induced displacement current”的研究性文章在《Science Advances》发表。
什么是SWISE
首先，如图1A(I)所示，当前的无线系统包括用于信号产生、电源和管理、信号调制和传输的模块，具有坚硬且笨重的电子元件。尽管人们已经开发出可伸缩和柔性的电子设备来解决软刚性接口问题，但它们中的大多数仍然由本质上刚性的设备组成，这带来了很大的不便，限制了电子皮肤和植入式医疗设备等应用场景。其次，这些电子元件的总能耗通常很大，接近毫瓦级甚至是瓦级。在这里，作者提出了一种通过TENG触发的击穿放电进行范式转换的策略，展示了一种自供电无线传感电子贴纸(SWISE)，它将上述所有模块的功能都包含在一个微型单元中(缩小到手指下的指甲大小，如图1A的II所示)。与以往的各种工作相比，SWISE通过击穿放电产生快速变化的极化项PS，其体积最小，有效传输距离最长，如图1B所示。通过避免中间步骤的额外功耗，SWISE完全由捕获的信号作为能源自供电，而无需任何外部电源输入。通过区分不同设计参数和气体组成产生的信号，实现了多点运动传感和气体传感能力。
图1.SWISE的整体图示。
SWISE的机制和实验表征
在手指轻轻滑动的驱动下，SWISE可以在不需要任何外部电源的情况下，通过放电过程直接将输入的运动信号转换为电磁信号，显示出完全的自供电能力。当SWISE被触发时，摩擦带电在摩擦电荷层中产生负电荷。由于静电感应电荷产生，电极之间产生了电场，尖端附近的电场强度最高，如图2A中的COMSOL模拟结果所示。在SWISE中，强电场产生击穿放电，其幅度和上升时间由环境和结构因素决定。这种击穿放电产生高频位移电流，从而产生无线电磁信号。所产生的无线信号可以通过连接到示波器作为接收器的远程线圈来捕获和测量。典型信号的时间响应如图2B所示，其频率响应如图2C所示，使用快速傅立叶变换，其中信号频谱分布在几百兆赫，主要在甚高频(VHF)频段，而接收机中的谐振频率集中在10 MHz左右。如图2D所示，本文还对SWISE产生的信号的特性进行了系统的研究。为了便于研究各种因素的影响，在相当于SWISE的自立式TENG(FS-TENG)上进行了连接两个尖端形电极的放电实验(称为击穿放电器)。由于固定在光学平台上，采用直线电机触发FS-TENG，移动距离控制良好，最大移动距离可达120 mm。当通过滑动运动部分触发FS-TENG时，产生电场以实现击穿放电，接收器的谐振频率保持在10 MHz左右。在实验的基础上，证明了SWISE可以全方位地传输无线信号，每个方向上检测到的信号强度如图2E所示。
图2.SWISE诱导信号和SWISE电学模型的系统研究
SWISE的气体环境实验
本文系统地研究了气体类型的影响，实验平台如图3A所示。先前已经证明，在不同的气体环境中，放电类型和强度可能明显不同。为了创造一个纯净的气体环境，击穿放电器被放置在一个由FS-TENG驱动的腔室中。为保证目标气体的纯度，设计了实验工艺流程，测试了图3C所示的4种纯气体和6种混合气体，这些气体的典型信号波形如图3B所示。在此过程中，对10种气体环境进行了重复击穿放电，采集了10种气体环境的数据，每种气体环境采集了100组数据。每组数据都是电压和时间的波形，包含大约2500个数据点，如图3B所示。作为一种有效的分类和识别方法，深度学习方法被用来处理这些复杂的数据集，并通过自动生成的算法提取特征。结果显示对每种气体的识别具有很高的阳性预测值和真阳性率，总的识别准确率达到98.5%，如图3C所示。在此基础上，本文预测通过深度学习方法可以区分来自腔体中不同气体组成的多个SWISE的无线信号，从而实现对SWISE传感阵列的气体传感能力和多点运动传感能力。
图3. SWISE的气体环境实验。
用于无线运动传感的SWISE演示
SWISE具有重量轻、灵敏度高、成本低、柔软、可变形等特点，可广泛应用于信号传感和传输，不需要额外的电源。本文演示了SWISE的两个自供电无线传感应用，如下所示。首先，本文制备了SWISE作为一种电子皮肤，可以探测运动并即时传输放电感应的电磁波信号，具有传输距离远的优点。如图4A所示，无线电磁信号可以被远距离传输超过10m的接收器检测到，其中SWISE是由手指的轻柔运动驱动的。为了进一步证明这种高灵敏度，在人体的不同位置安装了SWISE来检测身体运动(图4 B和C)。线圈、信号处理电路和基于发光二极管(LED)的照明系统连接在一起，以说明无线传输的信号。当SWISE上没有动作触发时，没有信号传输，LED保持熄灭(图4D)。手指滑动时，会产生并传输无线信号，以高灵敏度接通LED(图4D)。
图4.SWISE的演示
小结：这项工作提出了一种通过放电感应位移电流向一体式全自供电无线传感和传输单元SWISE的电磁波产生和自供电无线传感的范式转换策略。这种一体化配置减少了中间步骤，与最先进的设备相比，完全自供电的SWISE具有最小的尺寸和最长的有效传输距离(>30 m)。对SWISE的系统研究揭示了影响传输信号的主要因素，因为信号的幅度和频谱是可以控制的，所以可以实现了多点传感的功能。SWISE的频谱对气体环境也非常敏感，使气体传感成为可能。在此基础上，研制了自供电无线柔性键盘和智能腕带，实现了对多个按键信号的检测和传输。SWISE具有完全自供电、体积小、传输距离远、重量轻、柔软、薄、灵敏度高等优点，可能在可穿戴和植入式设备、机器人、生物医学应用、人机界面、基础设施监控等方面具有潜在的应用前景。
全文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6751
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