香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系的研究团队,最近研发了一款自行驱动的无线传感电子贴纸(SWISE),它能够将手指轻触薄膜的能量转化为电磁波信号,毋须电池或电线,即可实现无线传感技术,并具有可屈曲、超轻薄、可远距离传输等优点,有望革新智慧传感及遥控技术。相关研究成果于国际知名期刊《科学进展》(Science Advances)刊登。研究团队下一步将与科技企业合作,将相关智能产品推出市场。

此外,团队亦研发出一款新型摩擦纳米发电机,其功率远超过往研究,有望足够推动家用电器运作,提供另类可再生能源选项。

无线传感电子贴纸

物联网的发展是构建智慧城市的关键,当中传感器担当着物联网的眼睛和耳朵,负责收集物理参数,例如温度、压力、速度等,并转换为电子信号,供系统分析。研究人员预测,在未来数年将会有数以亿万个感测器投入应用,形成物理资讯感知网路。然而,传统的无线传感技术分别由传感、信号调制、无线传输、供能与能量管理,共四个模组组成,其体积、柔性、能源消耗、成本等问题,限制了无线传感技术的普及应用,亦加重维修成本及难度。

由中大机械与自动化工程学系助理教授訾云龙教授领导的研究团队,利用智能物料设计了一款电子贴纸SWISE,将传统无线传感系统所需的四个模组合而为一。SWISE是一块柔软、可屈曲的电子薄膜(最薄只有95微米,不足两条头发宽度),利用纳米摩擦发电技术,在放电过程产生位移电流,达至自行驱动的无线传感。

SWISE共有三层,中间为有两个电极的金属薄膜,外面则分别由摩擦起电层及基底层组成。当手指划过电子贴纸表面的摩擦起电层时会产生摩擦电,并触发放电效应,将手指动能转化为电磁信号。实验证明,该电磁信号能在无外来供电下完成远距离传输(最长可达30米)。

传感器一般会配备多点传感功能,并具有发放不同特征及频谱信号的功能,以适应智慧城市中的不同应用场景。研究团队设计了具有不同参数的器件,例如透过改变金属薄膜的电感,令SWISE可产生不同特征和频谱的信号,得以扩展其应用领域。例如,在影片1及2中展示的无线柔性键盘及智慧手环,可分别传送1、2、3、4四个不同信号;将来亦有望应用在智慧衣服、机械人技术、医疗、人机介面、体域传感器网络及虚拟实境等多方面。

此外,研究团队正探讨SWISE用于侦测气体方面的潜力。他们发现,当金属薄膜两极之间的气体成份不同,经位移电流产生的电磁信号频谱会有轻微分别。通过人工智能及深度学习技术,他们成功区分出十个不同气体成分及浓度组合(包括氩气、二氧化碳、氦气、氮气及一般空气)的信号特征,识别准确度达98.5%。

訾云龙教授表示:「我们的研究团队反覆测试了SWISE传感系统及其应用,如无线柔性键盘及智慧手环,结果充分反映它在无线传感及遥控具备巨大的应用潜力,将有望革新智慧传感及遥控技术,进一步推动香港智慧城市发展。」

是次研究团队还包括腾讯机器人实验室(Robotics X)戴媛博士及其团队、香港城市大学于欣格博士团队,及中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士。

此研究专案获得香港特别行政区研究资助局杰出青年学者计划、优配研究金、香港特别行政区创新科技署创新及科技基金,及腾讯高校联合项目的资金支援。

高功率反向电荷增强型类晶体管摩擦纳米发电机

SWISE利用摩擦纳米发电技术,在放电过程产生位移电流。这种技术除了透过直接接触发电,亦能够透过收集环境中的机械运动,例如海浪、风、雨滴及生物运动等发电。然而,摩擦纳米发电机(TENG)的输出功率有限,无法推动如小型电器等大功率电子设备,主要两大限制为低电荷转移及高输出阻抗。

最近,訾教授及其团队开发了「反向电荷增强型类晶体管摩擦纳米发电机(OCT-TENG)」。这种纳米发电机可以在摩擦频率只有约 1 Hz 的低频下,提供超过 10 MW/m2的瞬时功率密度,远超以往的研究成果。

为展示其性能,研究团队利用一个OCT-TENG器件成功点亮一盏功率达180W的灯泡,更能无线点亮一个额定功率为 30 W的车用LED灯泡,创造了摩擦纳米发电机功率输出记录。相关研究成果已刊登于著名期刊《自然通讯》中。

有关訾云龙教授

訾云龙教授在2017年加入中大机械与自动化工程学系,致力研究摩擦纳米发电机(TENG)的能量收集技术及自行驱动系统,并已取得一系列独立研究成果。

示范影片一: https://www.cpr.cuhk.edu.hk/wp-content/uploads/newscentre/pressrelease/Movie-S4.mp4?_=1

示范影片二: https://www.cpr.cuhk.edu.hk/wp-content/uploads/newscentre/pressrelease/Movie-S5.mp4?_=2