中大研無線傳感電子貼紙 自行驅動實現遙距傳輸

2021年09月26日 18:35
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中大團隊研發的無線傳感電子貼紙(SWISE)毋須電池或電線,亦可無線傳感技術。
香港中文大學機械與自動化工程學系的研究團隊,最近研發了1款自行驅動的無線傳感電子貼紙(SWISE),該塊貼紙只有不足兩條頭髮寬度,便能夠將手指輕觸薄膜的能量轉化為電磁波信號,毋須電池或電線,即可實現無線傳感技術,並具有可屈曲、超輕薄、可遠距離傳輸等優點,有望革新智慧傳感及遙控技術。相關研究成果於國際知名期刊《科學進展》(Science Advances)刊登。
傳統的無線傳感技術分別由傳感、信號調製、無線傳輸、供能與能量管理共4個模組組成,其體積、柔性、能源消耗、成本等問題,限制了無線傳感技術的普及應用,亦加重維修成本及難度。
由中大機械與自動化工程學系助理教授訾雲龍領導的研究團隊,利用智能物料設計了1款電子貼紙SWISE,將傳統無線傳感系統所需的4個模組合而為一。SWISE是一塊柔軟、可屈曲的電子薄膜,最薄只有95微米,利用納米摩擦發電技術,在放電過程產生位移電流,達致自行驅動的無線傳感。
SWISE共有3層,外層分別由摩擦起電層及基底層組成,而中間為有2個電極的金屬薄膜。當手指劃過電子貼紙表面的摩擦起電層時會產生摩擦電,並觸發放電效應,將手指動能轉化為電磁信號。實驗證明,該電磁信號能在無外來供電下完成遠距離傳輸(最長可達30米)。
傳感器一般會配備多點傳感功能,並具有發放不同特徵及頻譜信號的功能,以適應智慧城市中的不同應用場景。研究團隊設計了具有不同參數的器件,例如透過改變金屬薄膜的電感,令SWISE可產生不同特徵和頻譜的信號,得以擴展其應用領域。將來有望應用在智慧衣服、機械人技術、醫療、人機介面、體域傳感器網絡及虛擬實境等多方面。
此外,團隊正探討SWISE用於偵測氣體方面的潛力。通過人工智能及深度學習技術,團體成功區分出10個不同氣體成分及濃度組合(包括氬氣、二氧化碳、氦氣、氮氣及一般空氣)的信號特徵,識別準確度達98.5%。
訾及其團隊亦開發了「反向電荷增強型類晶體管摩擦納米發電機(OCT-TENG)」。這種納米發電機可以在摩擦頻率只有約1Hz的低頻下,提供超過10MW/m2的瞬時功率密度,遠超以往的研究成果。
團隊成功利用一個OCT-TENG器件點亮一盞功率達180W的燈泡,更能無線點亮一個額定功率為30W的車用LED燈泡,創造了摩擦納米發電機功率輸出記錄。相關研究成果已刊登於著名期刊《自然-通訊》中。