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2021年9月26日

中大研發自行驅動的超薄無線傳感電子貼紙
集供電、傳感、訊號傳輸功能於一身 革新智慧物聯網技術

2021年9月26日
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OCT-TENG能夠為功率達180W的電燈提供足夠電力。

傳統無線傳感系統(I)與無線傳感電子貼紙(SWISE)(II)相比,後者具有細小、輕薄、一體化等特點。

訾雲龍教授。

香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系的研究團隊,最近研發了一款自行驅動的無線傳感電子貼紙(SWISE),它能夠將手指輕觸薄膜的能量轉化為電磁波信號,毋須電池或電線,即可實現無線傳感技術,並具有可屈曲、超輕薄、可遠距離傳輸等優點,有望革新智慧傳感及遙控技術。相關研究成果於國際知名期刊《科學進展》(Science Advances)刊登。研究團隊下一步將與科技企業合作,將相關智能產品推出市場。

此外,團隊亦研發出一款新型摩擦納米發電機,其功率遠超過往研究,有望足夠推動家用電器運作,提供另類可再生能源選項。

無線傳感電子貼紙

物聯網的發展是構建智慧城市的關鍵,當中傳感器擔當著物聯網的眼睛和耳朵,負責收集物理參數,例如溫度、壓力、速度等,並轉換為電子信號,供系統分析。研究人員預測,在未來數年將會有數以億萬個感測器投入應用,形成物理資訊感知網路。然而,傳統的無線傳感技術分別由傳感、信號調製、無線傳輸、供能與能量管理,共四個模組組成,其體積、柔性、能源消耗、成本等問題,限制了無線傳感技術的普及應用,亦加重維修成本及難度。

由中大機械與自動化工程學系助理教授訾雲龍教授領導的研究團隊,利用智能物料設計了一款電子貼紙SWISE,將傳統無線傳感系統所需的四個模組合而為一。SWISE是一塊柔軟、可屈曲的電子薄膜(最薄只有95微米,不足兩條頭髮寬度),利用納米摩擦發電技術,在放電過程產生位移電流,達至自行驅動的無線傳感。

SWISE共有三層,中間為有兩個電極的金屬薄膜,外面則分別由摩擦起電層及基底層組成。當手指劃過電子貼紙表面的摩擦起電層時會產生摩擦電,並觸發放電效應,將手指動能轉化為電磁信號。實驗證明,該電磁信號能在無外來供電下完成遠距離傳輸(最長可達30米)。

傳感器一般會配備多點傳感功能,並具有發放不同特徵及頻譜信號的功能,以適應智慧城市中的不同應用場景。研究團隊設計了具有不同參數的器件,例如透過改變金屬薄膜的電感,令SWISE可產生不同特徵和頻譜的信號,得以擴展其應用領域。例如,在影片1及2中展示的無線柔性鍵盤及智慧手環,可分別傳送1、2、3、4四個不同信號;將來亦有望應用在智慧衣服、機械人技術、醫療、人機介面、體域傳感器網絡及虛擬實境等多方面。

影片1

影片2

此外,研究團隊正探討SWISE用於偵測氣體方面的潛力。他們發現,當金屬薄膜兩極之間的氣體成份不同,經位移電流產生的電磁信號頻譜會有輕微分別。通過人工智能及深度學習技術,他們成功區分出十個不同氣體成分及濃度組合(包括氬氣、二氧化碳、氦氣、氮氣及一般空氣)的信號特徵,識別準確度達98.5%。

訾雲龍教授表示:「我們的研究團隊反覆測試了SWISE傳感系統及其應用,如無線柔性鍵盤及智慧手環,結果充分反映它在無線傳感及遙控具備巨大的應用潛力,將有望革新智慧傳感及遙控技術,進一步推動香港智慧城市發展。」是次研究團隊還包括騰訊機器人實驗室(Robotics X)戴媛博士及其團隊、香港城市大學于欣格博士團隊,及中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士。

此研究專案獲得香港特別行政區研究資助局傑出青年學者計劃、優配研究金、香港特別行政區創新科技署創新及科技基金,及騰訊高校聯合項目的資金支援。

高功率反向電荷增強型類晶體管摩擦納米發電機

SWISE利用摩擦納米發電技術,在放電過程產生位移電流。這種技術除了透過直接接觸發電,亦能夠透過收集環境中的機械運動,例如海浪、風、雨滴及生物運動等發電。然而,摩擦納米發電機(TENG)的輸出功率有限,無法推動如小型電器等大功率電子設備,主要兩大限制為低電荷轉移及高輸出阻抗。

最近,訾教授及其團隊開發了「反向電荷增強型類晶體管摩擦納米發電機(OCT-TENG)」。這種納米發電機可以在摩擦頻率只有約 1 Hz 的低頻下,提供超過 10 MW/m2的瞬時功率密度,遠超以往的研究成果。

為展示其性能,研究團隊利用一個OCT-TENG器件成功點亮一盞功率達180W的燈泡,更能無線點亮一個額定功率為 30 W的車用LED燈泡,創造了摩擦納米發電機功率輸出記錄。相關研究成果已刊登於著名期刊《自然-通訊》中。

有關訾雲龍教授

訾雲龍教授在2017年加入中大機械與自動化工程學系,致力研究摩擦納米發電機(TENG)的能量收集技術及自行驅動系統,並已取得一系列獨立研究成果。



OCT-TENG能夠為功率達180W的電燈提供足夠電力。

OCT-TENG能夠為功率達180W的電燈提供足夠電力。

 

傳統無線傳感系統(I)與無線傳感電子貼紙(SWISE)(II)相比,後者具有細小、輕薄、一體化等特點。

傳統無線傳感系統(I)與無線傳感電子貼紙(SWISE)(II)相比,後者具有細小、輕薄、一體化等特點。

 

訾雲龍教授。

訾雲龍教授。

 

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