可伸缩微带天线不受人体皮肤影响,实现百米稳定、高效无线传输,有望应用于多种疾病早期诊断治疗丨专访

2021-06-14 21:22:19 DeepTech深科技

“我们首次实现了可穿戴设备的天线不受人体皮肤影响,即使同时拉伸,也能不改变频谱,并且实现稳定 、高效的无线传输。”美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系助理教授程寰宇告诉 DeepTech 。

柔性可穿戴设备因其便利性及低价,已越来越多地应用于传感器。作为传感器需要把信号传出来,无论是通过蓝牙还是无线传输,对系统地集成器件功能要求较高。这通常面临着电池消耗高及器件硬等问题,使其使用弊端日益突出。

如果通过天线或微波可以实现稳定、有效的传输,那么,可以用比较好的 “小型化” 就能实现传输更远的距离,同时也能减少对应系统的复杂度。

图丨 Nano-micro Letters 封面(来源:受访者)

程寰宇及团队研发出一种多级结构化可伸缩微带天线,不仅能为特定疾病人群提供早期诊断、病情演化检测、药物和治疗评估,也可为老龄化(Healthy Aging)社会即将到来的健康挑战提供有效的解决方案。

4 月 9 日,相关研究以《用于可靠无线通信的应变不敏感的多级结构化可伸缩微带天线》(Strain-Insensitive Hierarchically Structured Stretchable Microstrip Antennas for Robust Wireless Communication)为题发表,并预计于 8 月份登上 Nano-micro Letters 封面。

图丨相关论文(来源: Nano-micro Letters )

该研究最大的优势是在人体皮肤和身体各部位上稳定而优异的性能,通过这项技术,消除了人体对可伸缩微带天线的影响、提升了微波无线传输性能、增强了整流天线的能量收集效率。它奠定了将可拉伸微波电子用于无线、无源、可拉伸自功能系统的基础。

从 “电子纹身” 到聚焦宽频天线

程寰宇从清华大学毕业后,赴美国西北大学攻读硕士、博士,其专注于研发可用于机器人、生物医药及能源领域的生物电子设备,曾研发能溶于人体的可穿戴式 “电子纹身”。

2015 年底,他来到宾夕法尼亚州立大学任教,并开始研究具有可拉伸变形结构的传统金属,设计和制造高性能的可拉伸天线和微波电子器件。

他与团队的第一项研究是采用可拉伸变形结构,基于传统金属的可拉伸天线。2019 年,以《可伸缩微带天线的结构设计》(Structural Design for Stretchable Microstrip Antennas)为题发表在 Materials & Interfaces。

图丨程寰宇(来源:受访者)

“通过这项研究,我们学习到了参数影响和设计的基本思想,进一步推动了无量纲参数在力学变形和电磁场耦合天线特性中的影响。”程寰宇对 DeepTech 表示。

但是,在这项研究的过程中,他尚未找到拉伸不改变频谱特性的方法。其表示,相比其他可拉伸天线,该研究结果具有更高的效率,可进行更远距离的无线信号采集,并进行了人体运动的检测示意。

研究人员发现,随着拉伸变形改变的频谱,天线很难进行稳定的无线传输。

为了解决以上难题,程寰宇及团队从两个方向出发继续探索:一是宽频谱天线,二是减少拉伸变形对频谱的影响。

或对 3D 可变性天线设计有启发

谈及宽频天线的设计思想,程寰宇表示,一方面宽频谱可在保证频谱移动的情况下,仍然能够包含传输频段;另一方面,偶极子天线中的弯曲单元随拉伸展开,也可以基本保证频谱基本不动。

但是,因为偶极子天线没有接地面,天线很容易受人体组织的影响,甚至在非常紧密贴合人体皮肤时丧失宽频谱特性。

视频丨展示网状微带天线的应变传感能力(来源:受访者)

他告诉 DeepTech,“相比之下,在另一个方向中我们仍然尝试使用贴片天线。因为天线中的接地面可以有效地隔离,天线特性可以基本不受皮肤或者身体各个部位的组织影响。”

但是,与宽频谱相比,窄的频谱非常容易受到外界变形,特别是拉伸的影响而发生移动,使信号和能量难以进行比较稳定的传输。

对此,程寰宇解释道,这是因为天线的共振频率大致和其尺寸呈反比。所以,随着拉伸天线变长就会导致共振频率变小和频谱在对应方向的移动。

“有意思的是,在我们 2019 年的研究中展示了两种可拉伸结构的天线:一种具有马蹄形单元的网状可拉伸天线,共振频率随着拉伸增加而减小;但是,另一种具有拱形结构的可拉伸天线,却可以实现共振频率随着拉伸增加而增加。” 程寰宇说。

图丨示意图演示了具有网状布局和 3D 拱形结构的马蹄形单位单元的分层结构可拉伸微带天线的设计策略(来源:Nano-micro Letters)

后者反常的特性是因为在改变天线尺寸的同时,具有 3D 构型的拱形结构随着拉伸也改变了等效的介电常数。“虽然直观来想可以把两个可拉伸结构结合在一起,但是我们从 2020 年初开始的尝试结果却并不理想,因为我们发现,具有拱形结构的网状可拉伸天线会随着拉伸发生逐次展开(orderly unraveling)。”

研究结果显示,拱形结构先展开时,共振频率随拉伸会增加,之后网状结构进而展开时,共振频率又会随之减小。跳出单一的拱形结构进而探索其他 3D 构型,他们发现共振频率和对应的频谱移动随着拉伸的变化特性都会进而改变。

研究人员通过选取一个简单的 “双峰结构”,外加预拉伸对产生的双峰结构进行调节,进而实现了不随拉伸变形改变的、稳定的共振频率和频谱特性,非常巧妙地解决了上述问题。

图丨网状微带天线的机械电磁特性(来源:Nano-micro Letters)

作为无线数据传输和供电的关键组件,可伸缩天线在柔性 / 可伸缩电子设备中扮演着不可或缺的角色。但是,它们经常因机械变形而遭受频率失谐的困扰。它们的应用范围仅限于无线传感,而无线传输承载力仍然 “难以捉摸”。

而以拱形形状布置的网状图案,为多级结构的可拉伸微带天线。它们在变形时,展现出了可调谐的共振频率,从而改善了材料结构在拉伸下的天线辐射性。

变形期间几乎不变的共振频率可实现强大的人体无线通信和 RF 能量采集,而随着变形而快速变化的共振频率可实现无线传感。

视频丨在拉伸时具有单拱形贴片的分层结构微带天线中的 “有序解开”(来源:受访者)

实验证明,当可伸展微带天线即使伸展量达到 25%时,也可以在人体上与发射机(输入功率为 - 3 dBm)有效地进行无线通信。即在 100 m 的距离上接收功率高于 - 100 dBm。结构的灵活性与机械 - 电磁仿真耦合相结合,提供了另一种通用的设计制造方案,并可以此设计可拉伸的微带天线和其他可拉伸微波电子设备等。

也就是说,这一稳定的特性可以在人体的各个组织部位都得到很好的保持,显示出了不受人体干扰的特性。选取比较有挑战的能量传输作为示意,研究人员展示了具有拉伸不改变频谱的可拉伸天线作为接收端,或者传输端都可以实现不受人体皮肤影响的无线能量传输。

图丨对应变不敏感的分层结构微带天线在 2.4 GHz 处会产生有谐振的无线通信性能(来源:Nano-micro Letters)

传输距离从近场到 100 米的远场皆可实现高效的能量传输,在皮肤上的效率等特性基本可以保持和在自由空间中一致。结合该团队可拉伸整流天线的最新研究,使用整流电路,可进一步实现不受人体皮肤影响的可拉伸整流天线。

有望应用于多种疾病的早期诊断治疗

程寰宇认为,可穿戴电子设备因其材料易得、成本在易接受范围,有利于大规模生产以及未来的产业化发展。而该研究中的 3D 构型部分,对 3D 可变性天线在设计中的优势和将来巨大的前景空间也具有启发作用。

可拉伸微波天线可以实现无线长距离信号和能量的传输 (如百米千米外),皮肤上稳定的性能在可拉伸整流天线中可以保证稳定的电压能量输出,两者结合可以实现无线无源自供能系统用于长期连续健康检测。

而这类微波天线也可以应用在柔性分布式传感系统中,集成在人体大面积多部位上和不同人群间进行全面交互式监测。

具有稳定频谱的可拉伸天线,为将来实现远距离微波能量和信号的传输奠定了基础 。特别是结合已有的微波通讯技术,我们期待推动该技术能够像手机 / 电脑通过微波通讯一般进行超远程的信号传输。” 程寰宇说。

谈及下一步研究发展,他告诉 DeepTech ,结合最新的数字可编程超材料和微波成像系统,还有希望提供简单易行的方案来操控电磁波,以实现远程测量和成像。

结合之前多种能量收集模块和自功能系统的研究,将来的无线无源可拉伸自功能系统可以舒适地穿戴在人体的各个部位,进行长久、精确、即时的健康监测。

程寰宇表示,未来希望能通过使用无线 、无源的可拉伸穿戴传感系统,对人体健康状况进行长期连续检测,为多种疾病提供早期的诊断治疗,特别是为当代社会的健康老龄化提供可行的解决方案。

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