一、研究背景

皮膚貼附式可拉伸電子在健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域快速發(fā)展，無線通信與無線供電是其核心功能。但人體運(yùn)動(dòng)帶來的皮膚拉伸（可達(dá)30%）會(huì)顯著改變射頻（RF）器件（天線、感應(yīng)線圈、傳輸線）的幾何尺寸與基底介電常數(shù)，導(dǎo)致諧振頻率漂移、無線信號(hào)衰減、供電中斷，嚴(yán)重降低系統(tǒng)可靠性。傳統(tǒng)彈性基底（如Ecoflex）的介電常數(shù)恒定不變，拉伸時(shí)線圈/天線面積增大、電容上升，必然引發(fā)頻率偏移；同時(shí)傳統(tǒng)材料還存在介電損耗高、散熱差等問題，無法滿足動(dòng)態(tài)穿戴場(chǎng)景下應(yīng)變不敏感、穩(wěn)定無線傳輸的迫切需求。因此，亟需開發(fā)一種應(yīng)變下介電常數(shù)可自適應(yīng)調(diào)控的新型彈性基底材料，從材料層面補(bǔ)償拉伸帶來的射頻性能漂移。

二、研究亮點(diǎn)

1. 提出介電彈性體（DEE） 基底，拉伸時(shí)介電常數(shù)近線性降低，精準(zhǔn)抵消線圈/天線電容增大，0%–30%應(yīng)變下諧振頻率幾乎不變。

2. 低介電損耗（0.0043–0.0074）、高熱導(dǎo)率（~0.37 W m?1 K?1）、高柔性（80 kPa）、大斷裂應(yīng)變（380%），兼顧機(jī)械與電學(xué)優(yōu)勢(shì)。

3. 兼容遠(yuǎn)場(chǎng)天線、近場(chǎng)感應(yīng)線圈、傳輸線等各類射頻單元，可集成傳感與藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)拉伸狀態(tài)下連續(xù)無線供電與生理信號(hào)傳輸。

三、研究?jī)?nèi)容

圖1｜DEE基底與應(yīng)變不敏感無線系統(tǒng)

A：傳統(tǒng)可拉伸無線系統(tǒng)拉伸后諧振頻率漂移、通信中斷。

B：DEE機(jī)理：BaTiO?團(tuán)簇拉伸變形→介電常數(shù)降低→補(bǔ)償頻率漂移。

C：DEE基底的可穿戴無線系統(tǒng)實(shí)物圖。

D–F：應(yīng)變下對(duì)比：Ecoflex線圈頻率漂移、LED熄滅；DEE線圈頻率穩(wěn)定、LED常亮。

G–H：系統(tǒng)貼附手腕，貼合性好，可監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏。

I–J：拉伸后Ecoflex系統(tǒng)無線斷開、脈搏信號(hào)丟失；DEE系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作。

K：仿生穿戴帶實(shí)現(xiàn)20米遠(yuǎn)距離膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

將高介電常數(shù)BaTiO?陶瓷納米顆粒團(tuán)聚形成微米級(jí)團(tuán)簇，嵌入彈性體基體；拉伸時(shí)團(tuán)簇由球形變?yōu)闄E球形，實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)隨應(yīng)變自適應(yīng)下降。

在DEE與傳統(tǒng)Ecoflex基底上分別制備可拉伸感應(yīng)線圈，對(duì)比拉伸下諧振頻率、無線供電能力。

構(gòu)建基于DEE的可拉伸無線醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在手腕拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、日常運(yùn)動(dòng)下測(cè)試無線穩(wěn)定性與脈搏監(jiān)測(cè)精度。

將DEE射頻單元用于仿生穿戴帶，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、腦電（EEG）、肌電（EMG）信號(hào)20米遠(yuǎn)距離穩(wěn)定無線傳輸。

四、總結(jié)與展望

本論文前瞻介紹了一種面向可拉伸射頻電子的介電彈性體（DEE） 新型基底材料，通過將高介電常數(shù)BaTiO?納米顆粒團(tuán)簇嵌入彈性基體，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變下介電常數(shù)的近線性自適應(yīng)降低，從材料本征特性上補(bǔ)償了拉伸導(dǎo)致的諧振頻率漂移，使天線、感應(yīng)線圈、傳輸線等核心射頻單元在0%–30%大應(yīng)變下仍保持近乎恒定的無線性能，同時(shí)DEE具備低介電損耗、高熱導(dǎo)率、高柔性與高拉伸性等綜合優(yōu)勢(shì)，成功構(gòu)建出可在動(dòng)態(tài)穿戴環(huán)境下穩(wěn)定工作的無線醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無線供電與脈搏等生理信號(hào)采集，并可拓展至仿生穿戴帶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多模態(tài)信號(hào)傳輸，為解決可拉伸電子“一拉就斷聯(lián)”的行業(yè)痛點(diǎn)提供了革命性材料方案。盡管DEE實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變不敏感的穩(wěn)定無線傳輸，但可穿戴生理監(jiān)測(cè)仍面臨運(yùn)動(dòng)偽影干擾、無線醫(yī)療系統(tǒng)供電續(xù)航不足、柔性電源與系統(tǒng)集成度有待提升等挑戰(zhàn)，未來需結(jié)合先進(jìn)電路設(shè)計(jì)、抗偽影算法、低功耗芯片與柔性電池/儲(chǔ)能技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)整體魯棒性、續(xù)航能力與信號(hào)質(zhì)量，推動(dòng)DEE基底在長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)、智能假肢、軟機(jī)器人、元宇宙交互等領(lǐng)域的實(shí)用化與普及化。

文獻(xiàn)鏈接：http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2025.102464