據麥姆斯咨詢報道，香港中文大學機械及自動化工程系的一支研究團隊最近開發出一種自供電無線傳感電子標簽（Self-powered Wireless Sensing E-sticker，SWISE）。
SWISE可以將手指觸摸電子標簽的能量轉換為電磁波信號，無需電池或電線即可實現無線傳輸。利用靈活、超薄、有效傳輸距離遠的優勢，SWISE可以進一步推動智能傳感和遠程控制技術的發展。這項研究結果已發表在國際知名期刊《Science Advances》上，該研究團隊將與科技公司合作，將相關智能產品推向市場。
此外，該研究團隊還發明了一種新型摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG），其功率輸出遠遠超過現有的TENG。這項發明可以為以下兩個應用鋪平道路：（1）使用TENG為家用電器供電；（2）提供替代的可再生能源選擇。
無線傳感電子標簽
物聯網（IoT）的發展是建設智慧城市的關鍵，其中傳感器充當物聯網系統的眼睛、耳朵、鼻子、皮膚等感覺器官。這些傳感器負責收集光線、聲音、氣體、溫度、壓力等物理量，并將其轉換為電子信號進行處理分析。一些研究人員預測，未來幾年將有數十億個傳感器節點連接到物聯網，形成一個物理信息傳感網絡。
然而，傳統的無線傳感和傳輸技術仍然需要多個獨立的模塊進行傳感、信號調制、傳輸、電源和管理等，這使得整個系統體積龐大、功耗高、價格昂貴。這無疑限制了無線傳感技術的應用場景，增加了維護成本和難度。
由香港中文大學機械及自動化工程系助理教授Zi Yunlong教授領導的研究團隊，設計了一款基于智能材料的電子標簽：SWISE，將傳統無線傳感系統的四個功能模塊組合成一個單元。
SWISE整體圖解
SWISE是一種柔軟靈活的電子薄膜（最薄的地方僅為95μm，小于兩根頭發的寬度），其在放電過程中產生位移電流，實現基于摩擦納米發電機（TENG）的自供電無線傳感。
SWISE具有三層結構：中間一層是帶兩個電極的金屬膜，外面兩層是摩擦電荷層和基底層。當手指在SWISE的摩擦電荷層上滑動產生摩擦電荷時，會出現放電效應，從而將手指運動的動能轉化為電磁信號。該研究團隊已經證明，電磁信號可以在沒有外部電源的情況下傳輸很長的距離（最遠可達30米）。
SWISE感應信號和SWISE電模型系統研究
多點傳感能力可通過區分不同設計參數產生的信號來實現，進而使這種傳感器能夠廣泛應用于智慧城市的不同場景。因此，該研究團隊設計了具有不同參數的器件，例如通過改變器件的電感，使SWISE可以產生不同特性和頻譜的信號，從而擴展了其應用范圍。除了智慧城市，SWISE也有望在未來應用于智能服裝、機器人、醫療、人機界面、虛擬現實（VR）等。
此外，該研究團隊正在探索SWISE在氣體檢測方面的應用潛力。他們發現，當金屬膜的兩個電極之間的氣體成分發生變化時，位移電流產生的電磁信號的頻譜會發生輕微的變化。他們通過人工智能（AI）和深度學習技術，成功區分了十種不同氣體成分和濃度組合（包括氬氣、二氧化碳、氦氣、氮氣和普通的空氣）的信號特征，識別準確率達到98.5%。
SWISE的氣體檢測實驗
該研究團隊反復測試了SWISE傳感系統及其應用，例如無線軟鍵盤和智能手環。測試結果充分證明了SWISE在無線傳感和遠程控制方面具有巨大的應用潛力。預計將進一步推動智能傳感和遙控技術的發展，以及香港智慧城市的發展。
SWISE演示實驗
該研究項目由香港研究資助局早期職業生涯計劃、香港特區政府研究基金、香港創新及科技基金、騰訊大學合作計劃資助。
具有高功率輸出的新型摩擦納米發電機（TENG）
TENG使得SWISE能夠在放電過程中產生位移電流，實現自供電無線傳感。TENG不僅可以通過手指觸摸來發電，還可以收集環境中的機械運動，例如水波、風、雨滴和生物力學運動，以生產清潔和可再生能源。然而，TENG受到兩個基本限制：（1）低電荷轉移；（2）高輸出阻抗，這導致低輸出功率和有限的應用。
最近，香港中文大學Zi Yunlong教授和他的團隊開發了一種反向電荷增強型晶體管類摩擦納米發電機（OCT-TENG），能夠在約1Hz的低頻下提供超過10MW/m2的瞬時功率密度，遠遠超過以前的報道。
為了展示這項新發明的高性能，Zi Yunlong團隊使用OCT-TENG點亮了一盞180W的商用燈，以及通過無線供電方式點亮一個額定功率為30W的車載LED燈泡。這些實驗結果創造了TENG的高功率輸出記錄。相關成果發表在著名的《Nature Communications》期刊上。
延伸閱讀：
《基于摩擦電的能量收集和傳感（TENG）-2020版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《電子皮膚貼片技術及市場-2021版》
《醫療柔性電子技術及市場趨勢-2020版》
