无源“受力”贴纸，重新定义精准测量

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来源：搜博网

2023-10-24 19:39

行业：物联网

IOTE2024第二十一届国际物联网展-上海站

2024.04.24~04.26

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测量物体之间施加的力是一个复杂的过程，虽然听起来简单，但实际操作并不容易。任何两个接触在一起的物体都会相互施加一定的力，这可能是由于重力作用或者是机械接触，例如物体对平台的重量或者两个骨骼在人类膝关节处的接触。

为了更有效和便捷地进行这种力的测量，加州大学圣迭戈分校的研究团队研发了一种电子"贴纸"来协助测量这些现象。

这些力量贴纸是无线的，无需电池，而且可以适应狭小的空间，因此适用于各种行业的多种应用。根据工程师的说法，这种装置可以用于膝关节植入，用以定量测量植入物对关节所施加的压力。监测这些力的变化对于评估植入物的适合性和磨损情况非常关键。

加州大学圣迭戈分校工程学院教授Dinesh Bharadia在学校的一份声明中表示：“人类天生拥有感知力量的内在能力。这赋予我们与周围环境无缝互动的能力，也让临床医生能够进行精细的外科手术。将这种感知力量的能力引入电子设备和医疗植入物领域可能会对许多行业带来革命性的变革。”

这些力量贴纸由两个主要部分组成。首先是一种几毫米厚、尺寸与米粒相当的小型电容器。另一个组件是射频识别（RFID）贴纸，类似于条形码，可以通过无线电波无线读取。研究人员采用创新的方法将这两个组件连接起来，用于测量物体所受的力，并将这些信息无线传输到RFID读卡器。

在电容器的两个导电铜条之间放置了一层柔软的聚合物薄片，形成了电容器。当外部力作用于聚合物上时，聚合物会被压缩，导致铜条靠近，从而增加电容器内的电荷。

研究人员指出，由于施加的力导致电荷增加，这对于改变RFID标签所产生的信号变化非常重要。RFID读卡器远程监测这些变化，并将其转化为相应的力量数值。这种改变RFID信号的方法允许力量贴纸内的组件变得非常小，相比之前用于改变RFID信号的方法，其尺寸减小了一千倍。

与此同时，RFID贴纸通过一种称为反向散射的机制传输无线电信号，功耗非常低。它接收来自RFID读卡器的无线电信号，通过电容器引起的电荷变化对信号进行改变，然后将已改变的信号返回给读卡器，读卡器对其进行解析，并将其转换为相应的力量数值。因此，这种力量贴纸的能耗非常低。

另一个设计方面是电容器可以根据不同的力范围进行定制。通过更换柔软或坚硬的聚合物层，可以调整电容器以监测不同范围内的压力。

在研究中，研究人员创建和测试了两种类型的力量贴纸以验证其可行性。一种力量贴纸的电容器由极软的聚合物制成，用于监测微小的力量，适用于模拟膝关节的研究中。当将这种力量贴纸放入关节后，研究人员施加压力时，它能够精确检测到不同的力量。第二种力量贴纸具有较坚硬的聚合物电容器，经过实验在仓库包装领域进行了评估。它被粘贴在盒子的底部，可以准确评估放在盒子内的各种物品的重量。

据团队表示，在测试中，这些力量贴纸表现得非常坚固。它们能够抵抗超过10,000次的力的施加，同时保持准确性。此外，根据研究人员的说法，它们可以以非常低的成本生产，每张贴纸的成本不到2美元。

然而，这项技术也有其局限性，科学家指出这些力量贴纸只能在静态环境下正常工作，不适用于高度动态的情况。

电子与计算机工程博士生和研究的合著者Agrim Gupta表示：“如果我们能够商业化这项技术，可以想象未来这些贴纸可以像创口贴一样廉价销售。”

这项研究的详细信息已经发表在ACM。

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