香港中文大学成功研发可自行驱动的超薄无线传感电子贴纸

香港讯 9月27日，记者从香港中文大学获悉，中大机械与自动化工程学系的研究团队最近研发了一款可自行驱动的无线传感电子贴纸（SWISE），它能够将手指轻触薄膜的能量转化为电磁波信号，毋须电池或电线，即可实现无线传感技术，并具有可屈曲、超轻薄、可远距离传输等优点，有望革新智慧传感及遥控技术。相关研究成果于国际知名期刊《科学进展》（Science Advances）刊登。研究团队下一步将与科技企业合作，将相关智能产品推出市场。

此外，团队亦研发出一款新型摩擦纳米发电机，其功率远超过往研究，有望足够推动家用电器运作，提供另类可再生能源选项。

【无线传感电子贴纸集供电、传感、讯号传输功能于一身，革新智能物联网技术】

物联网的发展是构建智慧城市的关键，当中传感器担当着物联网的眼睛和耳朵，负责收集物理参数，例如温度、压力、速度等，并转换为电子信号，供系统分析。研究人员预测，在未来数年将会有数以亿万个传感器投入应用，形成物理信息感知网络。然而，传统的无线传感技术分别由传感、信号调制、无线传输、供能与能量管理，共四个模块组成，其体积、柔性、能源消耗、成本等问题，限制了无线传感技术的普及应用，亦加重维修成本及难度。

由中大机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授领导的研究团队，利用智能物料设计了一款电子贴纸SWISE，将传统无线传感系统所需的四个模块合而为一。SWISE是一块柔软、可屈曲的电子薄膜（最薄只有95微米，不足两条头发宽度），利用纳米摩擦发电技术，在放电过程产生位移电流，达至自行驱动的无线传感。

SWISE共有三层，中间为有两个电极的金属薄膜，外面则分别由摩擦起电层及基底层组成。当手指划过电子贴纸表面的摩擦起电层时会产生摩擦电，并触发放电效应，将手指动能转化为电磁信号。实验证明，该电磁信号能在无外来供电下完成远距离传输（最长可达30米）。

传感器一般会配备多点传感功能，并具有发放不同特征及频谱信号的功能，以适应智能城市中的不同应用场景。研究团队设计了具有不同参数的器件，例如透过改变金属薄膜的电感，令SWISE可产生不同特征和频谱的信号，得以扩展其应用领域。例如，在影片1及2中展示的无线柔性键盘及智能手环，可分别传送1、2、3、4四个不同信号；将来亦有望应用在智能衣服、机械人技术、医疗、人机接口、体域传感器网络及虚拟现实等多方面。

此外，研究团队正探讨SWISE用于侦测气体方面的潜力。他们发现，当金属薄膜两极之间的气体成份不同，经位移电流产生的电磁信号频谱会有轻微分别。通过人工智能及深度学习技术，他们成功区分出十个不同气体成分及浓度组合（包括氩气、二氧化碳、氦气、氮气及一般空气）的信号特征，识别准确度达98.5%。

訾云龙教授表示，研究团队反复测试了SWISE传感系统及其应用，如无线柔性键盘及智能手环，结果充分反映它在无线传感及遥控具备巨大的应用潜力，将有望革新智慧传感及遥控技术，进一步推动香港智慧城市发展。

本次研究团队还包括腾讯机器人实验室（Robotics X）戴媛博士及其团队、香港城市大学于欣格博士团队，及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士。

【高功率反向电荷增强型类晶体管摩擦纳米发电机】

SWISE利用摩擦纳米发电技术，在放电过程产生位移电流。这种技术除了透过直接接触发电，亦能够透过收集环境中的机械运动，例如海浪、风、雨滴及生物运动等发电。然而，摩擦纳米发电机（TENG）的输出功率有限，无法推动如小型电器等大功率电子设备，主要两大限制为低电荷转移及高输出阻抗。

最近，訾教授及其团队开发了反向电荷增强型类晶体管摩擦纳米发电机（OCT-TENG）。这种纳米发电机可以在摩擦频率只有约 1 Hz 的低频下，提供超过 10 MW/m2的瞬时功率密度，远超以往的研究成果。

为展示其性能，研究团队利用一个OCT-TENG器件成功点亮一盏功率达180W的灯泡，更能无线点亮一个额定功率为 30 W的车用LED灯泡，创造了摩擦纳米发电机功率输出记录。相关研究成果已刊登于著名期刊《自然-通讯》中。

訾云龙教授在2017年加入中大机械与自动化工程学系，致力研究摩擦纳米发电机（TENG）的能量收集技术及自行驱动系统，并已取得一系列独立研究成果。

（《中国基建报》记者 林雨润 香港报道）