可穿戴设备通过新材料获得信号增强

一种像皮肤一样移动的新材料，同时保持电子产品的信号强度，可以帮助开发具有连续、一致的无线和无电池功能的下一代可穿戴设备。

根据今天发表在《自然》杂志上的一项研究，莱斯大学和汉阳大学的国际研究团队通过将高介电陶瓷纳米颗粒簇嵌入弹性聚合物中开发出这种材料。该材料经过逆向工程，不仅可以模拟皮肤弹性和运动类型，还可以调整其介电性能，以抵消运动对接口电子设备的破坏性影响，最大限度地减少能量损失并散热。

莱斯大学机械工程系助理教授、这项研究的主要作者RaudelAvila说：“我们的团队能够结合模拟和实验来了解如何设计一种可以像皮肤一样无缝变形的材料，并在拉伸时改变其内部电荷的分布方式，从而稳定射频通信。”

“从某种意义上说，我们正在精心设计对机械事件的电响应。”

阿维拉负责进行模拟以帮助确定正确的材料和设计选择，他解释说，电子设备使用天线等射频(RF)元件来发送和接收电磁波。

“如果你曾经去过手机信号不好或Wi-Fi信号很差的地方，你可能就会明白信号弱的烦恼，”阿维拉说。“当我们试图传递信息时，我们会以特定的频率工作：两个天线以给定的频率相互通信。

“因此，我们需要确保频率不会改变，以便通信保持稳定。在设计为移动和灵活的系统中实现这一目标的挑战在于，这些射频组件形状的任何变化或转变都会导致频率偏移，从而导致频率偏移。意味着你会遇到信号中断。”

嵌入基板的纳米粒子可以抵消这些干扰，其关键设计元素是其分布的有意模式。粒子之间的距离和粒子簇的形状在稳定射频元件的电气特性和谐振频率方面发挥着关键作用。

阿维拉说：“聚类策略非常重要，仅通过实验观察来弄清楚如何进行聚类需要花费很长时间。”

DEE的制造和表征。图片来源：《自然》(2024)。DOI：10.1038/s41586-024-07383-3

汉阳大学前研究员、现西北大学博士后研究员SunHongKim指出，研究团队采取了创造性的方法来解决可拉伸电子器件中的射频信号稳定性问题。

Kim说：“与之前专注于电极材料或设计的研究不同，我们专注于无线设备所在基板的高介电纳米复合材料的设计。”他强调了三个不同专业领域之间的合作对于开发无线设备的重要性。。“这是一个复杂问题的多维解决方案。”

“我们相信，我们的技术可以应用于可穿戴医疗设备、软机器人以及轻薄高性能天线等各个领域，”汉阳大学前研究员、现任芬兰坦佩雷大学博士后研究员的阿卜杜勒·巴西尔(AbdulBasir)表示。

可穿戴技术正在对医疗保健产生深远的影响，实现新形式的个人监测、诊断和护理。智能穿戴市场预测反映了这些技术的变革潜力，其中健康和健身在最终用途方面占据最大份额。

“无线皮肤集成可拉伸电子产品在卫生紧急情况、电子医疗保健和辅助技术中发挥着关键作用，”巴希尔补充道。

为了测试该材料是否可以支持有效可穿戴技术的开发，研究人员构建了几种可拉伸无线设备，包括天线、线圈和传输线，并在他们开发的基板和标准弹性体上评估了它们的性能。添加陶瓷纳米颗粒。

“当我们将电子设备放在基板上，然后拉伸或弯曲它时，我们发现系统的谐振频率保持稳定，”Avila说道。“我们证明，即使在压力下，我们的系统也能在最远30米(约98英尺)的距离内支持稳定的无线通信。使用标准基板，系统将完全失去连接。”

远场通信系统的无线工作距离超过任何其他类似的皮肤接口系统。此外，这种新材料可用于增强各种可穿戴平台的无线连接性能，这些平台旨在适应各种尺寸的各种身体部位。

例如，研究人员开发了可穿戴仿生腕带，可佩戴在头部、膝盖、手臂或手腕上，以监测全身的健康数据，包括脑电图(EEG)和肌电图(EMG)活动、膝盖运动和体温。该头带戴在幼儿头上时可以拉伸30%，戴在成人头上时可以拉伸50%，并能在30米的无线距离内成功传输实时脑电图测量结果。

Avila表示：“皮肤界面可拉伸射频设备能够无缝贴合皮肤形态并监测关键生理信号，需要对各个材料布局和电子元件进行关键设计，以产生不破坏用户体验的机械和电气特性和性能。”。

“随着可穿戴设备不断发展并影响社会与技术互动的方式，特别是在医疗技术背景下，高效可拉伸电子产品的设计和开发对于稳定的无线连接至关重要。”

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