无线、无电池力传感器：触摸物体之间的精确测量

加州大学圣地亚哥分校，拉霍亚，加利福尼亚州

这种所谓的“力贴”是一种薄而灵活的电子设备，可以测量接触物体之间的力。 （图片来源：David Bailott/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院）

加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了电子“贴纸”，可以测量一个物体对另一个物体施加的力。力贴是无线的，无需电池即可运行，并且适合狭小的空间。这使得它们具有广泛的应用范围，从为机器人配备触觉，到提升 VR 和 AR 的沉浸式体验，让生物医学设备变得更加智能，监控工业设备的安全性，以及提高仓库库存管理的准确性和效率。

例如，它们可以用于膝关节植入物，以测量植入物施加在关节上的力。能够感知这些力的变化对于监测植入物的贴合度以及磨损情况非常有用。仓库包装底部还可以贴上强力贴纸来测量其内容物的重量，充当检查库存的微型秤。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程教授迪内什·巴拉迪亚 (Dinesh Bharadia) 表示：“这些力贴可以使技术更加智能、互动和直观。” “人类本质上拥有感知力的固有能力。这使我们能够与周围环境无缝交互，并使临床医生能够执行精细的外科手术。为电子设备和医疗植入物提供这种力感知能力可能会改变许多行业的游戏规则。”

力贴由两个主要部分组成。其中一个是微型电容器，厚度只有几毫米，大小约为一粒米。另一个组件是射频识别 (RFID) 贴纸，它是一种功能类似于条形码的设备，可以使用无线电信号进行无线读取。研究人员找到了一种巧妙的方法将这两个组件集成在一起，这样他们就可以测量物体施加的力并将该信息无线传输到 RFID 读取器。

该电容器由夹在两个导电铜条之间的软聚合物片制成。当施加外力时，聚合物会压缩，将铜条拉得更近，从而增加电容器中的电荷。

研究人员表示，由于施加的力而导致的电荷增加是关键，因为它会导致 RFID 贴纸传输的信号发生变化。 RFID 读取器远程测量这些变化并将其转化为特定大小的施加力。这种改变 RFID 信号的特殊技术使力贴内的组件得以小型化。相比之下，以前改变 RFID 信号的方法需要尺寸大一千倍的组件。

与此同时，RFID 标签通过一种称为反向散射的技术传输无线电信号，以极低的功率运行。它从 RFID 读取器接收传入的无线电信号，通过电容器引起的电变化修改信号，然后将修改后的信号反射回读取器，读取器将其破译并将其转化为施加的力。

因此，力贴基本上无需电源即可运行。 “该设计非常简单，电子设备最少，”该研究的第一作者、电气和计算机工程博士阿格里姆·古普塔 (Agrim Gupta) 说。 Bharadia 实验室的学生。

另一个设计特点是电容器可以针对不同的力范围进行定制。通过用更软或更硬的聚合物层替换聚合物层，可以定制电容器以分别测量更小或更大的力。

为了进行演示，研究人员构建并测试了两种类型的力贴。在一张贴纸中，电容器是用超软聚合物制成的，可以测量较小的力，使其适合在模型膝关节实验中使用。当研究人员推动关节时，将力贴放置在关节内，可以准确测量不同的施加力。第二张贴纸的电容器由更硬的聚合物制成，在仓库包装实验中进行了测试。它安装在盒子的底部，可以准确测量盒子中放置的不同数量物体的重量。

在测试中，力贴非常耐用。它们可承受超过 10,000 次施力，并始终保持准确度。此外，研究人员指出，它们的制造成本较低，每个贴纸的成本不到 2 美元。

古普塔说：“如果我们能够将这项技术商业化，我们想象未来一盒它们可以像一盒创可贴一样便宜地出售。”展望未来，研究人员的目标是让智能手机可以读取压力贴纸，从而消除对 RFID 读取器的需求。

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