研究背景
随着可穿戴技术的不断发展，皮肤界面的可伸缩电子设备受关注。这一领域的进步推动了各种应用的涌现，从皮肤界面医疗设备到人机界面、软体机器人再到触觉界面。然而，在这一研究领域中，基板的选择却是一个被忽视但至关重要的问题。基板直接影响着射频（RF）电子设备的电气性能，尤其是具有无线功能的RF电子。然而，现有的弹性体基板存在一系列问题，包括在弹性应变下引起的电子性能变化、较高的介电损耗和热性能差等。其中，尤其令人担忧的是，可伸缩RF设备在受到机械应变时，操作频率会发生显著偏移，甚至在小应变下也会如此。这种问题严重影响了无线性能，因为基板的介电常数在应变下保持不变。
针对这一问题，科学家们开始寻求新的弹性基板材料，以解决现有材料所存在的缺陷。他们希望找到一种材料，具有可调谐的介电常数，能够随着应变的变化而线性调节，并且具有低介电损耗和良好的热导率。这样的材料能够有效地保持RF电子设备的原始特性，从而避免无线信号强度或功率传输效率的降低。然而，在寻找合适的材料时，科学家们面临着挑战，因为要求这种材料既具有机械柔韧性，又具有良好的电气性能和热学性能。
图文导读
为了解决这一问题，韩国首尔汉阳大学Hyoungsuk Yoo &Yei Hwan Jung团队在Nature期刊上发表了题为“Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics”的最新论文。他们提出了一种名为“dielectro-elastic elastomer”（DEE）的新型材料。这种材料具有介电常数随应变变化的特性，能够有效地调节RF电子设备的特性，从而防止操作频率的偏移。DEE通过将高κ陶瓷纳米颗粒嵌入弹性体基体中，形成了复合材料，实现了这一目标。该复合材料的介电常数随着拉伸而线性减小，从而有效地保持了RF电子设备的原始特性。相比之下，传统的弹性体基板在应变下的介电常数几乎不变。这一研究为皮肤界面的可伸缩电子学开辟了新的研究方向，为未来可穿戴技术的发展提供了重要的技术支持。
这项研究旨在解决可伸缩射频（RF）电子设备在受到机械应变时频率特性发生变化的问题，因为这会导致无线性能下降。为了实现这一目标，研究者进行了一系列实验，结果集中在图1中。图1a示意出了提出的应变不变可伸缩无线系统相对于传统系统的差异，主要是在避免天线共振频率的偏移。图1b展示了由介电-弹性复合材料（DEE）构成的基板，拉伸DEE会导致介电常数的变化。具体而言，DEE表现出与应变线性相关的介电常数下降。与传统弹性体相比，DEE具有更低的介电损耗和更好的介电常数变化。图1c和1d显示了相应的数据结果，表明DEE在30%应变下的介电常数变化和损耗切线。图1e对比了使用不同基板制备的可伸缩天线在操作频率上的偏移。DEE基板制备的天线显示出相对较小的频率偏移，表现出更好的应变不变性。这些结果表明，DEE作为基板材料能够有效地维持射频电子设备的性能稳定，从而实现了无线通信和能量传输的高效率。因此，该研究为开发高性能的可伸缩射频电子设备提供了重要的基础。
图2描述了DEEs（介电弹性体复合材料）的制备过程及其电学和机械性能表征。在图2a中，展示了合成DEE的步骤，具体步骤见附录图4和附录视频1。图2b展示了通过模压工艺形成的薄膜DEE，厚度约为700μm。图2c的立体显微镜图像显示，BaTiO3纳米颗粒在Ecoflex基体中形成了平均直径约为120μm的团簇。在30%应变下，这些团簇从球形变形为椭圆形。图2d的SEM图像进一步证实了这一变形，显示纳米颗粒在应变下从球形重新排列为椭圆形。在图2e中，比较了Ecoflex和DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的有效介电常数（εeff）变化。在30%应变下，Ecoflex的Δεeff-30%几乎可以忽略，而DEE在这两个频率下的Δεeff-30%分别约为2.10和1.95。图2f通过多物理场模拟展示了在30%应变下DEE中电场分布的变化。图2g显示，DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的损耗切线值明显低于Ecoflex。图2h和图2i展示了使用不同高介电常数纳米颗粒（如BaTiO3、SrTiO3和Al2O3）制备的DEE与均匀分散的复合材料在30%应变下的介电常数和损耗切线的比较。结果表明，基于BaTiO3的DEE表现出最大的Δεeff-30%。 图2j的有限元分析（FEA）结果显示，与基于均匀分布BaTiO3微粒的复合材料相比，DEE在30%应变下显示出更低的应力集中，因而具有更好的机械柔性。图2k显示了不同类型复合材料的应力-应变曲线，证明DEE在拉伸断裂时具有更高的应变和更低的模量。图2l展示了不同体积分数的纳米颗粒对DEE伸展性和介电-弹性响应的影响，确定了10%的最佳体积分数。图2的实验证明了DEE在介电性能和机械柔性方面的优越性，并展示了其在实际RF元件中的应用潜力。
图3则展示了DEE在实际RF元件中的应用。图3a显示了基于DEE的可伸缩贴片天线的结构和照片。图3b和图3c的实验结果表明，Ecoflex基板上的天线在30%应变下的谐振频率从2.4 GHz显著移动到1.9 GHz，而DEE基板上的天线在相同应变下保持在2.4 GHz附近，频移不到0.01 GHz。图3d显示了在30%应变下基于Ecoflex的天线和DEE天线的无线整流天线性能，结果表明DEE基板的整流天线在应变下仍能点亮LED，而Ecoflex基板的则不能。图3e至图3h展示了基于DEE的可伸缩近场感应线圈。图3e显示了在DEE上印刷的矩形螺旋电感器的结构和照片。图3f和图3g的结果表明，Ecoflex基板上的线圈在30%应变下的谐振频率从13.56 MHz显著下降，而DEE基板上的线圈谐振频率保持稳定。图3h的实验结果显示，基于DEE的无线能量收集系统在30%应变下仍能点亮LED，而Ecoflex基板的系统则不能。
图3i至图3l展示了基于DEE的可伸缩共面波导（CPW）传输线。图3i显示了在DEE上印刷的CPW的结构和照片。图3j和图3k的实验结果表明，Ecoflex基板上的传输线在30%应变下的传输效率和谐振频率显著下降，而DEE基板上的传输线则保持稳定。图3l的照片演示了在30%应变下基于Ecoflex和DEE的传输线的功率传输能力，结果显示DEE基板的传输线性能优于Ecoflex基板的。综上所述，这些结果表明DEE是一种有前途的材料，适用于可伸缩射频电子设备，具有广泛的应用前景。
图4展示了基于DEE的皮肤界面无线系统的性能和应用。图4a显示了该系统的照片，包括远场天线、近场线圈和血脉搏率监测器。图4b展示了该系统在不同机械应力（如弯曲、扭曲和压缩）下的柔顺性，证明其不会因变形而损坏。图4c显示了该系统佩戴在手腕上以监测桡动脉脉搏信号的情况。该系统能够在0至30米范围内进行稳定的远场无线通信，如图4d所示。在图4e中，常规弹性体上的天线在系统被拉伸至30%时因失效导致无线连接中断。而在图4f中，DEE系统即使在相同的拉伸条件下，仍能连续传输传感器数据，与有线设备的数据同步。图4g和图4h分别展示了常规弹性体和DEE系统在拉伸至30%时获取的动脉脉搏信号。常规弹性体系统在1米距离内无法传输信号，而DEE系统在相同条件下能保持稳定的无线通信，显示出与有线系统相同的脉搏图。综上所述，这些图展示了基于DEE的可伸缩RF元件在不同应变条件下的优越性能，以及其在无线健康监测中的广泛应用。
图5介绍了基于DEE的可穿戴仿生带，用于全身生理信号监测。图5a展示了用于测量头部EEG信号的仿生带示意图。图5b显示了DEE天线在0%和50%应变下的照片，证明其在拉伸过程中仍能保持性能。图5c比较了DEE和常规弹性体天线在0-60%应变范围内的无线信号强度，DEE天线在整个应变范围内保持稳定，而常规弹性体天线在15%应变时信号强度大幅下降。图5d展示了仿生带在幼儿和成人头部的佩戴示意图，并显示了佩戴在成人头部的照片。
图5e和图5f展示了分别在幼儿和成人头部佩戴仿生带测量的EEG信号频谱图。闭眼时8-12Hz频率范围内的强信号代表α波，表明仿生带能准确监测EEG信号。图5g展示了佩戴在膝盖上的仿生带，集成了应变计用于跟踪关节运动。图5h显示了在0至30米无线距离内传输到移动设备的膝关节运动数据。图5i展示了佩戴在屈肌腕尺肌上的仿生带测量的EMG信号，并在0米和30米距离内成功传输到移动设备。图5j展示了基于手腕佩戴仿生带的体温监测情况，图5k展示了仿生带在0米、15米和30米无线距离内传输的实时皮肤温度数据。图5的结果表明，DEE系统在各种拉伸和变形情况下都能保持稳定的无线通信和传感器数据传输，这为未来可穿戴健康监测设备的发展提供了重要参考。
研究结论
本文创造了一种新型的可伸缩RF电子设备，该设备能够在各种弹性应变下保持其初始电气特性，从而实现稳定和高性能的无线通信和电力传输能力。通过引入可调介电特性的DEE作为基底材料，并通过在其基质中嵌入高介电常数纳米颗粒簇来实现应变不变的RF特性。这种创新性的设计策略为开发具有弹性和伸缩性的电子设备提供了全新的思路，并为诸多领域的应用带来了潜在的革新。此外，本文展示了一系列应用场景，如皮肤界面健康监测设备和全身健康监测设备，这些应用将无线通信和电力传输功能与可伸缩性相结合，为未来的可穿戴电子设备和智能医疗系统的发展提供了新的方向。
文献信息
Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024).
