任何兩個(gè)接觸在一起的物體都會(huì)相互施加一定的力，這可能是由于重力作用或者是機(jī)械接觸，例如物體對(duì)平臺(tái)的重量或者兩個(gè)骨骼在人類(lèi)膝關(guān)節(jié)處的接觸。為了更有效和便捷地進(jìn)行這種力的測(cè)量，加州大學(xué)圣迭戈分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種超薄RFID測(cè)力“貼紙”(被稱(chēng)為“ForceSticker”)來(lái)協(xié)助測(cè)量這些現(xiàn)象。

ForceSticker的開(kāi)發(fā)源于兩個(gè)主要組件的集成：一個(gè)只有幾毫米厚、大約一粒米大小的微型電容器，以及一個(gè)商用900MHz超高頻RFID電子標(biāo)簽。研究人員集成了這兩個(gè)組件，以便他們可以測(cè)量施加的力，并將信息無(wú)線傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的RFID讀寫(xiě)器。

在電容器的兩個(gè)導(dǎo)電銅條之間放置了一層柔軟的聚合物薄片，形成了電容器。當(dāng)外部力作用于聚合物上時(shí)，聚合物會(huì)被壓縮，導(dǎo)致銅條靠近，從而增加電容器內(nèi)的電荷。

這種測(cè)力貼紙的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于對(duì)電容變化的敏銳觀察。當(dāng)施加外力時(shí)，聚合物壓縮，將銅條拉得更近，從而增加電容。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，研究人員可以根據(jù)從數(shù)學(xué)RF建模中得出的優(yōu)化電容范圍設(shè)計(jì)，評(píng)估傳感器的轉(zhuǎn)換功能，并在COMSOL中執(zhí)行多物理模擬。

在ForceSticker的實(shí)際應(yīng)用中，研究人員采用了兩種不同的4×2毫米傳感器實(shí)現(xiàn)，具有不同的Ecoflex聚合物層(可生物降解的鉑催化的硅基聚合物)和氯丁橡膠，覆蓋0至6 N和0至40 N的范圍，讀數(shù)誤差分別為0.25 N和1.6 N。此外，他們對(duì)ForceSticker進(jìn)行了超過(guò)10,000次的壓力測(cè)試，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何明顯的誤差下降。

這種無(wú)源RFID電子標(biāo)簽使用反向散射進(jìn)行電力和數(shù)據(jù)傳輸。它從RFID讀寫(xiě)器接收輸入的無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)電容器感應(yīng)的電變化修改信號(hào)，然后將修改后的信號(hào)反射回RFID讀寫(xiě)器，RFID讀寫(xiě)器解讀并將其轉(zhuǎn)化為作用力。這種方法直接將傳感器產(chǎn)生的模擬RF相位變換插入RFID電子標(biāo)簽的無(wú)線信道路徑中，創(chuàng)建了模擬-數(shù)字反向散射鏈路。

在實(shí)現(xiàn)傳感器集成的過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是傳感器接口的設(shè)計(jì)。為了在不損失信號(hào)保真度的情況下實(shí)現(xiàn)傳感器集成，研究人員采用了匹配阻抗共面波導(dǎo)的方法。此外，為了獲得這種靈敏度調(diào)諧，電容器必須在零作用力下具有正確設(shè)計(jì)的“標(biāo)稱(chēng)值”。這是由模擬這種情況的各種非線性方程確定的，并考慮了傳輸線的阻抗和反射系數(shù)。

在模擬電容傳感器與數(shù)字識(shí)別RFID的接口時(shí)，研究人員通過(guò)將傳感器插入天線和與兩者并聯(lián)的RFID標(biāo)簽之間來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，研究人員指出，存在兩種所謂的“退化”解決方案(意味著至少一個(gè)基本變量為零)。其中一種解決方案假設(shè)所有相位變化都直接從傳感器反射，沒(méi)有信號(hào)到達(dá)RFID模塊。而另一種解決方案則假設(shè)傳感器的容性轉(zhuǎn)換實(shí)際工作模式。這兩種解決方案都為該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

總的來(lái)說(shuō)，加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)開(kāi)發(fā)ForceSticker這一創(chuàng)新的測(cè)力貼紙展示了工程突破的可能性。通過(guò)集成微型電容器和商用RFID 電子標(biāo)簽，他們創(chuàng)造了一種能夠測(cè)量施加的力并將信息無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)備。

加州大學(xué)圣迭戈分校工程學(xué)院教授Dinesh Bharadia在學(xué)校的一份聲明中表示：“人類(lèi)天生擁有感知力量的內(nèi)在能力。這賦予我們與周?chē)h(huán)境無(wú)縫互動(dòng)的能力，也讓臨床醫(yī)生能夠進(jìn)行精細(xì)的外科手術(shù)。將這種感知力量的能力引入電子設(shè)備和醫(yī)療植入物領(lǐng)域可能會(huì)對(duì)許多行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。”

而且這種技術(shù)不僅具有在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，而且還可以用于倉(cāng)庫(kù)包裝的底部測(cè)量其重量。通過(guò)持續(xù)研究和創(chuàng)新，我們有理由相信未來(lái)會(huì)有更多這樣的突破來(lái)改善我們的生活和工作。

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審核編輯 黃宇