【行业背景】
可拉伸电子设备是未来柔性电子技术发展的重要趋势。这些设备在皮肤接口、健康监测、智能穿戴等领域发挥着关键作用，离不开高性能的射频（RF）电子组件。射频电子设备的功能依赖于其基板材料的电气性能，然而传统的弹性体基板存在诸多不足，如在弹性应变下电性能变化显著、介电损耗高及热导率差等问题。这些缺陷直接影响了射频设备的频率稳定性和无线性能。通过采用具有可调介电常数的‘介电弹性体’（DEE）作为基板材料，可以有效避免频率偏移，提高射频电子设备在各种弹性应变下的性能稳定性。与传统材料相比，DEE在电气、机械和热学性能方面具有显著优势，从而推动了其在可穿戴技术、智能医疗和人机交互等领域的广泛应用。
【技术难点】
传统的射频（RF）电子产品一般使用弹性体作为基板，这使得大部分可拉伸射频设备仍存在电气性能不稳定、介电损耗高以及热性能差等不足。近年来，随着可穿戴技术的发展和应用的扩展，要求射频电子设备具备更高的性能和稳定性，尤其是在物理动态环境下的应用，如皮肤接口健康监测器。然而，现有的弹性体基板无法有效解决这些问题，尤其是在应变和频率变化下的性能保持。
介电弹性材料（DEE）是该领域的一个重要发展方向。如果能够有效利用DEE材料，将极大地降低射频设备的功耗和成本，提高其可靠性。然而，DEE材料在实际应用中面临着几个技术难点。目前，学界和业界主要提出了几种方案来应对这些挑战。例如，利用高κ陶瓷纳米颗粒（NPs）嵌入弹性体基体中可以提高介电常数的可调性和降低介电损耗。各自的优势在于能够调节介电常数并提高射频性能，但缺点在于实际应用中仍受到材料的热导率和机械性能的限制。
受限于材料性能的不断改进，已有文献报道中最大的介电常数变化与实用要求仍存在很大差距。现有技术尚未完全解决射频设备在高应变下的性能保持问题，亟待进一步研究和优化，以满足更高性能和更可靠的实际应用需求。
【研究内容】
为了解决这一挑战，韩国首尔汉阳大学生物医学工程系Hyoungsuk Yoo & Yei Hwan Jung教授团队在“Nature”期刊上发表了题为“Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics”的最新论文。该教授课题组利用‘介电弹性弹性体’（DEE）材料，实现了应变不变的可拉伸射频电子设备，并展示了该技术在无线健康监测器中的应用。该团队在设备的设计和制造过程中，采用了高κ陶瓷纳米颗粒嵌入弹性体基体的方法，成功地解决了传统弹性体基板在弹性应变下导致的射频特性变化问题。
具体数据表明，该材料的介电常数在30%的应变下变化为1.95，相较于传统弹性体（如Ecoflex）的0.05，显示出显著的改进。此外，该复合材料在2.4 GHz频率下表现出更低的损耗切线（tan δ = 0.0074），优于Ecoflex的0.024。此研究成果不仅提升了可拉伸射频电子设备的性能，还扩展了其在皮肤接口无线健康监测器中的应用范围。
【图文精读】
研究者提出了一种名为“电弹性复合材料”的材料，用作可伸缩RF电子设备的基板。图1展示了这种应变不变可伸缩无线系统的原理和效果。在图1a中，通过对比传统可伸缩无线电子设备，展示了提出的应变不变可伸缩无线系统的设计概念。图1b说明了电弹性复合材料的组成结构，该材料由钛酸钡（BaTiO3）簇组成。拉伸电弹性复合材料会导致钛酸钡簇的几何形状发生变化，从而降低了材料的介电常数，使其能够保持稳定的RF特性。具体数据显示，与传统弹性体相比，电弹性复合材料在30%的应变下介电常数的变化显著较大，且具有较低的介电损耗（图1c、d）。图1e进一步对比了电弹性复合材料与传统弹性体作为基板的可伸缩天线的性能差异。结果显示，电弹性复合材料在不同应变下保持了共振频率的稳定性，而传统弹性体则存在较大的频率偏移。
图1：通过电弹性复合材料实现的应变不变可伸缩无线系统。
在图2中，研究者首先描述了DEE的合成过程，并通过图2a展示了其制备步骤。通过图2b的照片，展示了DEE基板的形成情况，其厚度约为700μm。接着，通过图2c中的立体显微镜图像，观察到了BaTiO3团簇的形态变化，从无应变状态下的球形到30%应变状态下的椭圆形。图2d则通过SEM图像展示了NPs在团簇中的分布情况，以及团簇在应变下的形态变化。通过这些实验结果，研究者发现DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的介电常数变化量分别为2.10和1.95，同时比较了DEE和常规弹性体在介电损耗方面的差异（图2e-g）。这些性能变化主要归因于团簇的形态变化以及NPs在DEE中的分布状况。
图2. DEE的制备和表征。
在图3中，研究者展示了DEE作为基板的可拉伸RF元件的实验结果。首先是远场贴片天线的实验，通过图3a-d，研究者观察到了DEE基板下天线在30%拉伸条件下频率保持稳定的现象。接着，通过图3e-h展示了近场感应线圈在DEE基板上的实验结果，表明DEE基板下的线圈同样能够保持频率的稳定。最后，图3i-l呈现了DEE基板上的共平面传输线的实验结果，显示了其在30%应变下保持传输效率的能力。这些性能使得DEE在无线通信和功率传输领域具有广阔的应用前景，为可拉伸电子设备的发展提供了新的可能性。
图3. 应变不变可伸缩射频器件的设计和表征。
图4展示了基于DEE的皮肤界面无线系统，旨在实现高效、稳定的生理信号监测。图4a展示了该系统的照片，包含了基于远场天线的蓝牙低功耗（BLE；2.4 GHz）收发器、基于近场线圈的电力采集单元（13.56 MHz）和血脉搏率监测器。图4b显示了系统在不同变形状态下的机械柔顺性，包括在曲面上展开、圆柱表面弯曲、扭曲和被戳的情景。图4c展示了系统佩戴在手腕上以监测桡动脉脉搏信号的应用。
图4d展示了皮肤界面系统与外部移动设备之间的连续远场无线通信，传感器获取的动脉脉搏信号在0到30米的范围内成功传输。图4e和图4f比较了常规弹性体和DEE在拉伸至30%时的传感器性能，常规弹性体的无线连接中断，而DEE系统则保持了持续的数据传输。图4g和图4h进一步比较了两种系统在应变下获取的动脉脉搏信号，常规弹性体系统在1米范围内失去信号，而DEE系统在30%应变下仍能稳定传输信号。这一系统通过RF通信和内置的电力采集单元，实现了完全无线和无电池的血脉搏率测量，且其远场通信距离达到了30米，超越了现有的皮肤界面系统。
图4. 基于应变不变射频器件的皮肤界面无线系统。
图5展示了一组基于DEE的可穿戴仿生带，用于全身生理信号监测，包括脑电图（EEG）、膝关节运动、肌电图（EMG）和体温。图5a展示了用于头部EEG信号测量的仿生带示意图，图5b显示了仿生带在0%和50%应变下的照片。图5c显示了集成在仿生带中的DEE和Ecoflex天线在0-60%应变范围内的无线通信信号强度对比，DEE天线在整个应变范围内保持了稳定的信号强度，而Ecoflex天线在仅15%应变时信号强度即大幅下降。
图5d展示了仿生带在幼儿和成人头部的佩戴示意图及其照片。图5e和图5f分别展示了在幼儿和成人头部测量的EEG信号频谱图，显示了在30%和50%拉伸状态下闭眼时8-12 Hz频率范围内的强α波信号。图5g展示了用于膝盖关节运动跟踪的仿生带，图5h显示了膝盖在不同运动状态下的实时数据传输。图5i展示了从手臂佩戴的仿生带检测到的EMG信号，并在0米和30米的无线距离内成功传输。图5j展示了基于手腕佩戴的仿生带测量皮肤温度的照片，图5k显示了在0米、15米和30米无线距离内的实时温度数据。该系统适用于多种生理信号的监测，具有广泛的应用前景，为可穿戴医疗设备的发展提供了重要参考。
图5：用于全身生理监测的应变不变可穿戴仿生带。
【研究结论】
本文提出了一种新颖的可伸缩RF电子设备的设计理念，这些设备能够在各种应变条件下保持稳定的无线通信和电力传输性能。通过引入可调节介电性能的DEE作为基底材料，并通过控制纳米颗粒簇的几何形态来实现对RF特性的应变不变性。这种设计概念为解决传统可伸缩电子设备在弹性应变下RF性能不稳定的问题提供了全新的思路和解决方案。同时，本文的研究成果为实现在人体各种部位进行长期舒适佩戴的无线健康监测系统提供了重要的技术支持。通过将RF技术与可伸缩材料相结合，本研究为未来可穿戴电子设备、智能健康监测系统等领域的发展提供了有价值的科学意义，拓展了可伸缩电子技术的应用前景。
文献详情：Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3
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