无线无电池力传感器：精准测量接触物体间的力
美国加州大学圣地亚哥分校 (UC San Diego)，拉霍亚
这种所谓的“力贴纸”是一种薄而柔性的电子装置，可测量接触物体之间的力。（图片：David Baillot/UC San Diego Jacobs 工程学院）
加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发了电子“贴纸”，可测量一个物体对另一个物体施加的力。力贴纸无线工作、无需电池、体积微小，适用于广泛场景：赋予机器人触觉、提升 VR/AR 沉浸体验、让生物医疗设备更智能、监测工业设备安全、提高仓库库存管理的准确性和效率。
例如，可用于膝关节植入物，测量植入物对关节施加的力。感知这些力的变化有助于监测植入物的贴合度、磨损情况。力贴纸也可贴在仓库包裹底部测量内容物重量，充当微型秤进行库存核对。
“这些力贴纸能让技术更智能、交互更直观，”UC San Diego Jacobs 工程学院电子与计算机工程教授 Dinesh Bharadia 表示，“人类天生具备感知力的能力，使我们能无缝与环境互动，也让临床医生能进行精细手术。将这种力感知能力赋予电子设备和医疗植入物，将改变众多行业的游戏规则。”
力贴纸由两大核心部件组成：一是仅几毫米厚、米粒大小的微型电容器；二是射频识别 (RFID) 贴纸，一种可像条形码一样通过无线电信号无线读取的设备。研究人员巧妙地将这两者集成，使其能测量施加在物体上的力，并将该信息无线传输给 RFID 读取器。
电容器由夹在两条导电铜带之间的软聚合物片制成。当外部力施加时，聚合物压缩，铜带靠近，电容器电荷增加。
研究人员表明，因施加力而产生的电荷增加是关键，因为它改变了 RFID 贴纸传输的信号。RFID 读取器远程测量这些变化并将其转化为具体的施加力大小。这种制造 RFID 信号变化的技术使力贴纸内部组件实现微型化；相比之下，以往制造 RFID 信号变化的方法所需组件大一千倍。
同时，RFID 贴纸通过背散射技术传输无线电信号，功耗极低。它接收读取器的射频信号，经电容器感应的电变化调制后反射回读取器，后者解码并转化为施加力。
因此，力贴纸几乎零功耗运行。“设计非常简单，电子元件极少，”研究第一作者、Bharadia 实验室电子与计算机工程博士生 Agrim Gupta 说。
另一设计特点是电容器可针对不同力范围定制。更换聚合物层为更软或更硬的材料，即可分别测量更小或更大的力。
为演示，研究人员制造并测试了两类力贴纸。一种采用超软聚合物电容器测量微小力，适用于膝关节模型实验；置于关节内，准确测量推动关节时的不同力。另一种采用较硬聚合物，测试于仓库包装实验；贴于箱底，准确测量箱内不同数量物体的重量。
测试显示力贴纸极其耐用：经受 10,000 次以上力施加仍保持一致准确。且制造成本低廉，每张贴纸成本不足 2 美元。
“若能商业化，未来一盒力贴纸可像创可贴一样廉价出售，”Gupta 说。未来，研究人员旨在使力贴纸可被智能手机读取，省去 RFID 读取器。
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