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一種像皮膚一樣移動同時又能保持電子產(chǎn)品信號強度的新材料，可以推動開發(fā)具有連續(xù)、一致的無線和無電池功能的下一代可穿戴設(shè)備。

根據(jù)發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究，來自萊斯大學(xué)和漢陽大學(xué)的一個國際研究團隊通過將高介電陶瓷納米顆粒簇嵌入彈性聚合物中來開發(fā)這種材料。該材料經(jīng)過逆向工程，不僅可以模擬皮膚彈性和運動類型，還可以調(diào)整其介電特性，以抵消運動對接口電子設(shè)備的破壞性影響，最大限度地減少能量損失并散熱。

可拉伸可穿戴設(shè)備集成在新開發(fā)的材料基板上，該基板可以調(diào)整其介電特性，以抵消運動對接口電子設(shè)備的破壞性影響。在各種類型的變形運動下測試了系統(tǒng)的性能，包括扭轉(zhuǎn)（左）和戳（右）。

“我們的團隊能夠?qū)⒎抡婧蛯嶒炏嘟Y(jié)合，以了解如何設(shè)計一種可以像皮膚一樣無縫變形的材料，并在拉伸時改變電荷在內(nèi)部的分布方式，從而穩(wěn)定射頻通信，”萊斯大學(xué)機械工程助理教授、該研究的主要作者 Raudel Avila 說。“在某種程度上，我們正在精心設(shè)計對機械事件的電氣響應(yīng)。”

Avila 負責(zé)進行仿真以幫助確定正確的材料和設(shè)計選擇，他解釋說，電子設(shè)備使用天線等射頻 （RF） 元件來發(fā)送和接收電磁波。

“如果您曾經(jīng)去過蜂窩信號不佳或 Wi-Fi 信號非常不穩(wěn)定的地方，您可能會理解信號微弱的挫敗感，”Avila 說。“當(dāng)我們嘗試傳達信息時，我們以特定頻率工作：兩個相互通信的天線以給定的頻率進行通信。因此，我們需要確保該頻率不會改變，以便通信保持穩(wěn)定。在設(shè)計為移動和靈活的系統(tǒng)中實現(xiàn)這一目標的挑戰(zhàn)在于，這些 RF 組件形狀的任何變化或轉(zhuǎn)換都會導(dǎo)致頻移，這意味著您將遇到信號中斷。

嵌入基材中的納米顆粒用于抵消這些干擾，其中一個關(guān)鍵設(shè)計元素是它們的有意分布模式。粒子之間的距離及其團簇的形狀在穩(wěn)定射頻元件的電性能和諧振頻率方面都起著至關(guān)重要的作用。

“聚類策略非常重要，僅通過實驗觀察來弄清楚如何做到這一點需要更長的時間，”Avila 說。

漢陽大學(xué)前研究助理、現(xiàn)西北大學(xué)博士后研究員 Sun Hong Kim 指出，研究團隊采取了一種創(chuàng)造性的方法來解決可拉伸電子產(chǎn)品中的射頻信號穩(wěn)定性問題。

“與之前專注于電極材料或設(shè)計的研究不同，我們專注于為無線設(shè)備所在的基板設(shè)計高介電納米復(fù)合材料，”Kim 說，并強調(diào)了三個不同專業(yè)領(lǐng)域合作對于開發(fā)“復(fù)雜問題的這種多維解決方案”的重要性。

“我們相信我們的技術(shù)可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如可穿戴醫(yī)療設(shè)備、軟機器人和輕薄型高性能天線，”漢陽前研究助理、現(xiàn)任芬蘭坦佩雷大學(xué)博士后研究員 Abdul Basir 說。

可穿戴技術(shù)正在對醫(yī)療保健產(chǎn)生深遠影響，使新形式的個人監(jiān)測、診斷和護理成為可能。智能穿戴市場預(yù)測反映了這些技術(shù)的變革潛力，其中健康和健身在最終用途方面占有最大份額。

“無線皮膚集成可伸縮電子設(shè)備在突發(fā)衛(wèi)生事件、電子醫(yī)療保健和輔助技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”Basir 說。

為了測試這種材料是否能夠支持有效可穿戴技術(shù)的發(fā)展，研究人員構(gòu)建了幾種可拉伸的無線設(shè)備，包括天線、線圈和傳輸線，并評估了它們在他們開發(fā)的基材和未添加陶瓷納米顆粒的標準彈性體上的性能。

“當(dāng)我們把電子元件放在基板上，然后拉伸或彎曲它時，我們看到系統(tǒng)的諧振頻率保持穩(wěn)定，”Avila 說。“我們證明，即使在壓力下，我們的系統(tǒng)也能在最遠 30 米（~98 英尺）的距離內(nèi)進行穩(wěn)定的無線通信。使用標準基板時，系統(tǒng)完全失去了連接性。

遠場通信系統(tǒng)的無線工作距離超過了任何其他類似的皮膚接口系統(tǒng)。此外，這種新材料可用于增強各種可穿戴平臺的無線連接性能，這些平臺旨在適應(yīng)各種尺寸的各種身體部位。

例如，研究人員開發(fā)了可穿戴的仿生手環(huán)，可以戴在頭、膝、手臂或手腕上，以監(jiān)測全身的健康數(shù)據(jù)，包括腦電圖 （EEG） 和肌電圖 （EMG） 活動、膝關(guān)節(jié)運動和體溫。頭帶戴在幼兒頭上時可以伸展高達 30%，戴在成人頭上時可以伸展高達 50%，成功地在 30 m 的無線距離上傳輸實時腦電圖測量值。

Avila 說：“能夠無縫貼合皮膚形態(tài)并監(jiān)測關(guān)鍵生理信號的皮膚接口可拉伸射頻設(shè)備需要對各個材料布局和電子元件進行關(guān)鍵設(shè)計，以產(chǎn)生不會破壞用戶體驗的機械和電氣特性和性能。“隨著可穿戴設(shè)備的不斷發(fā)展并影響社會與技術(shù)互動的方式，尤其是在醫(yī)療技術(shù)的背景下，高效可拉伸電子產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)對于穩(wěn)定的無線連接至關(guān)重要。”