重庆大学蒲贤洁团队Device：面向过程的高信号密度自供能无线传感 | Cell Press对话科学家
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2024年7月2日，重庆大学蒲贤洁副教授团队在Cell Press细胞出版社旗舰期刊Device上发表了题为“A self-powered, process-oriented wireless sensor with high discharge signal density”的论文。作者构建了具有高信号密度的自供能无线传感系统，通过摩擦电效应产生连续放电击穿信号，在频率为1 Hz的单次滑动过程中产生311个计数的信息片段，并通过耦合线圈，实现100 m的远距离自供能无线信号传输。
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研究亮点
面向过程的高信号密度自供能无线传感；
远距离（＞100 m）的自供能无线传输。
研究简介
传感网络由感知、传输、供能等要素构成，要实现高精度、无线、自供能三者合一具有相当的挑战。为此，作者提出一种具有超高信号密度（HSD）的自供能无线传感方案。在感知端通过摩擦电效应产生连续的放电击穿信号流，在接收端得到密集的信号片段（频率为1 Hz的单次滑动中产生311个信号计数）。通过感应线圈耦合，实现长达100 m的无线传输。这项研究为开发具有实用性的高精度自供能无线传感提供了独特的方案。
该HSD自供能无线传感方案如图1所示，HSD传感器件以滑动模式工作，聚四氟乙烯（PTFE）和尼龙薄膜分别作为滑块和定子的摩擦层，侧面铝箔作为电极来收集滑动过程中产生的放电击穿信号。在持续的滑动过程中，由于摩擦层和电极之间的放电击穿效应，连续的击穿会产生连续的输出信号流，通过与一对耦合的电感线圈相连，携带的信息可以实现超过100 m的无线传输。
图1：HSD自供能无线传感方案示意图。
现有的基于摩擦电效应的自供能无线传感在一个周期的单向滑动中仅产生一个单一信号，本文提出的HSD传感方案，能够在一个周期的单向滑动中（滑动距离相同）获得数百个信号，而这一信号流与机械运动过程密切相关，将能反映运动过程中的关键信息。为了增大实用价值，采用双线圈耦合模式提高传输距离。为探究无线传感系统中的信号耦合及其影响因素，建立了等效电学模型，并对不同接地情况、不同接收位点分别进行信号测试，证实了双线圈耦合模式增强自供能无线传感的可行性，如图2所示。
图2：HSD传感系统的信号分析。
HSD传感机理是产生连续的放电击穿信号实现对机械过程的感知，提高信号密度最有效的方法即增强放电击穿的效果。因此，可以通过改变PTFE与铝电极间的间距，降低最小击穿电压，从而增强放电击穿效果。这一预测通过所测得的气隙-信号密度曲线与空气中的帕邢曲线相对应得到验证，如图3所示。通过压力和频率测试，验证了通过信号密度及信号计数表征机械运动特性的可行性。
图3：HSD传感器信号密度的表征。
作者在一建筑内的长廊中开展了无线传输测试。结果显示，该系统在信号发射端与接收端距离为100.69 m时，接收到幅值为3.96 V的有效信号，实现了自供能无线传感信号超长距离传输。
图4：HSD自供能无线传感远距离测试。
总结
本研究利用摩擦电技术实现了机械过程中信息与能量的共生，探索了HSD的自供能无线传感。通过放电击穿及线圈耦合，达到了100.69 m的有效无线传输距离，在1 Hz的机械驱动频率下，每秒生成311个信号计数，超越了以往仅依靠单一信号进行传感识别的模式。实验结果表明，通过调整器件气隙降低空气击穿电压增加放电击穿次数，还能进一步增强器件性能。这些结果为开发具有高传感精度和长距离无线传输的自供能传感器提供了实际可行的方案。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请蒲贤洁副教授代表研究团队进行了专访，为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？
蒲贤洁副教授：
要实现高精度、远距离的自供能无线传感难度很大。目前已有研究基于摩擦纳米发电技术实现了自供能无线传感，但是信号的产生过程通常是一个周期或半个周期对应一个完整的信号，这就难以满足反映机械运动过程所需的高精度。而放电击穿现象在摩擦纳米发电机的工作过程中往往难以避免，我们这项工作正是利用了这一特点，并且通过结构设计增强放电击穿的效果，使得在微小的机械过程也能产生海量的信号数，这意味着可以分析更小的步长，从而提升传感精度。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
蒲贤洁副教授：
基于传感信号自身能量，在产生信号的同时将信息无线传输，这对于传感器设计来说是一种有效并且高效的方式。目前，这里面仍然存在许多我们需要去探讨和解决的问题。接下来，我们计划围绕这一主题，结合具体应用场景开展研究，优化系统结构，进一步提升传感性能，最终实现技术转化。
CellPress：
最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的原因。
蒲贤洁副教授：
Device作为Cell，Chem，Joule和Matter的姊妹刊，主编Marshall Brennan指出Device发表的内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。Device的目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创新性，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们的工作正好符合Device期刊的定位，因此我们选择了Device进行投稿。
作者介绍
蒲贤洁
副教授
蒲贤洁，重庆大学物理学院副教授。主要基于生物医学工程背景开展跨学科的自驱动摩擦电传感器与人机交互研究。近年来在Device、Science Advances、Science Robotics、ACS Nano、Nano Energy、Small等期刊发表论文20余篇，授权专利7项，研究成果被New Scientist、新华社、科学网、重庆电视台等采访报道。主持国家自然科学基金1项、省部级项目6项。多次在国际、国内会议作邀请报告及担任分会主持人。所指导的多位学生荣获国家奖学金、研究生科创项目、省部级科技竞赛奖等。
刘思召
研究生
刘思召，重庆大学物理学院硕士研究生，目前主要从事摩擦纳米发电机与自驱动传感器设计研究。
安山山
研究生
安山山，重庆大学物理学院博士研究生，主要研究方向为可穿戴摩擦电传感器与人机交互设计，以第一作者/共同第一作者在ACS Nano、Small、Nano Energy、Device期刊发表论文4篇。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
A self-powered, process-oriented wireless sensor with high discharge signal density
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624002801
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100437
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