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無源“受力”貼紙，重新定義精準測量-IOTE物聯網展

發布時間：2023-10-24

測量物體之間施加的力是一個復雜的過程，雖然聽起來簡單，但實際操作并不容易。任何兩個接觸在一起的物體都會相互施加一定的力，這可能是由于重力作用或者是機械接觸，例如物體對平臺的重量或者兩個骨骼在人類膝關節處的接觸。

為了更有效和便捷地進行這種力的測量，加州大學圣迭戈分校的研究團隊研發了一種電子"貼紙"來協助測量這些現象。

這些力量貼紙是無線的，無需電池，而且可以適應狹小的空間，因此適用于各種行業的多種應用。根據工程師的說法，這種裝置可以用于膝關節植入，用以定量測量植入物對關節所施加的壓力。監測這些力的變化對于評估植入物的適合性和磨損情況非常關鍵。

加州大學圣迭戈分校工程學院教授Dinesh Bharadia在學校的一份聲明中表示：“人類天生擁有感知力量的內在能力。這賦予我們與周圍環境無縫互動的能力，也讓臨床醫生能夠進行精細的外科手術。將這種感知力量的能力引入電子設備和醫療植入物領域可能會對許多行業帶來革命性的變革。”

這些力量貼紙由兩個主要部分組成。首先是一種幾毫米厚、尺寸與米粒相當的小型電容器。另一個組件是射頻識別（RFID）貼紙，類似于條形碼，可以通過無線電波無線讀取。研究人員采用創新的方法將這兩個組件連接起來，用于測量物體所受的力，并將這些信息無線傳輸到RFID讀卡器。

在電容器的兩個導電銅條之間放置了一層柔軟的聚合物薄片，形成了電容器。當外部力作用于聚合物上時，聚合物會被壓縮，導致銅條靠近，從而增加電容器內的電荷。

研究人員指出，由于施加的力導致電荷增加，這對于改變RFID標簽所產生的信號變化非常重要。RFID讀卡器遠程監測這些變化，并將其轉化為相應的力量數值。這種改變RFID信號的方法允許力量貼紙內的組件變得非常小，相比之前用于改變RFID信號的方法，其尺寸減小了一千倍。

與此同時，RFID貼紙通過一種稱為反向散射的機制傳輸無線電信號，功耗非常低。它接收來自RFID讀卡器的無線電信號，通過電容器引起的電荷變化對信號進行改變，然后將已改變的信號返回給讀卡器，讀卡器對其進行解析，并將其轉換為相應的力量數值。因此，這種力量貼紙的能耗非常低。

另一個設計方面是電容器可以根據不同的力范圍進行定制。通過更換柔軟或堅硬的聚合物層，可以調整電容器以監測不同范圍內的壓力。

在研究中，研究人員創建和測試了兩種類型的力量貼紙以驗證其可行性。一種力量貼紙的電容器由極軟的聚合物制成，用于監測微小的力量，適用于模擬膝關節的研究中。當將這種力量貼紙放入關節后，研究人員施加壓力時，它能夠精確檢測到不同的力量。第二種力量貼紙具有較堅硬的聚合物電容器，經過實驗在倉庫包裝領域進行了評估。它被粘貼在盒子的底部，可以準確評估放在盒子內的各種物品的重量。

據團隊表示，在測試中，這些力量貼紙表現得非常堅固。它們能夠抵抗超過10,000次的力的施加，同時保持準確性。此外，根據研究人員的說法，它們可以以非常低的成本生產，每張貼紙的成本不到2美元。

然而，這項技術也有其局限性，科學家指出這些力量貼紙只能在靜態環境下正常工作，不適用于高度動態的情況。

電子與計算機工程博士生和研究的合著者Agrim Gupta表示：“如果我們能夠商業化這項技術，可以想象未來這些貼紙可以像創口貼一樣廉價銷售。”

這項研究的詳細信息已經發表在ACM。

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