TENG 式传感器:体积小、传输距离远、自供能
为了实现第四次工业革命,物联网技术在诸多领域不断提升其惊人的能力。在整个物联网系统中,传感器是基础单元,收集各方有用的信息并传递给人或其他装置。有线传感和无线传感是两种主要的实现方式。有线传感系统直接将传感器连接到接收输入的设备上,会给应用场景带来诸多限制,很多应用场景难以实现有线信号传输,比如体域网等。因此,针对无线传感系统的解决方案研究迫在眉睫。无线传感系统安装方便、灵活性足,维护起来也方便,应用场景也越来越多。
然而,传统的无线传感技术往往需要传感、信号调制、无线传输以及供能与能量管理四个模块,这导致无线传感系统存在体积大、刚性、高能耗和高成本等问题。这无疑限制了无线传感系统的应用场景,并在系统维护和可持续发展方面带来了新的挑战。新兴的摩擦纳米发电机(TENG)技术成为了无线传感的替代方案,它既可通过额外的位移电流项触发无线信号的产生与传输,还能同时高效地捕获机械能和运动信号,不需要额外的电源和传感模块,使设备实现完全自供能。
腾讯 Robotics X 实验室联合香港中文大学分别在 Science Advances 和 Nano Energy 期刊上发表了两篇论文,在基于 TENG 的柔性触觉传感器方面取得了一系列研究成果。
在第一篇论文中,研究者研发了一种基于 TENG 技术的自供能无线传感贴纸(self-powered wireless sensing e-sticker, SWISE),它可以将输入的机械信号转化为电磁波信号以实现无线传感,完全不需要电池或导线。SWISE 器件具有一体化、完全自供能、柔性、可形变、小型化(低至 9 mm × 9 mm, 指甲盖大小)、超薄(低至 95 μm)、超轻(低至 16 mg)以及远距离传输(> 30 m)等多种优点。
论文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6751图 自供能无线传感贴纸(SWISE)与目前一些无线传感设备的参数比较
具体地,这项工作提出通过击穿放电引起的位移电流使得电磁波生成和自供能无线传感的范式转变策略,并实现了一体式完全自供能无线传感和传输单元即 SWISE。与最先进的无线传感设备相比,SWISE 具有最小的器件尺寸和最远的有效传输距离(>30 m),并兼具完全自供能及纯柔性的特点。
在此基础上,研究者制作了自供能无线柔性键盘和智能腕带,用于检测和传输来自多个按键的信号。就应用而言,SWISE 可以在可穿戴和植入式设备、机器人、生物医学、人机界面、基础设施等领域实现潜在应用监控。
第二篇论文则是在 SWISE 工作原理的基础上进行的拓展,提出了一种面向商业传感器的通用自供能无线传感解决方案(general self-powered wireless sensing solution)。与 SWISE 一样,该方案利用击穿放电效应将机械信号转化为电磁波信号,同时产生的电磁波信号利用多种商业传感器进行调制,从而实现面向商业传感器的自供能无线传感平台。