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(jié)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(fā)了一種超薄RFID測力“貼紙”(被稱為“ForceSticker”)來協(xié)助測量這些現(xiàn)象。

ForceSticker的開發(fā)源于兩個主要組件的集成：一個只有幾毫米厚、大約一粒米大小的微型電容器，以及一個商用900MHz超高頻RFID電子標簽。研究人員集成了這兩個組件，以便他們可以測量施加的力，并將信息無線傳輸?shù)綐藴实腞FID讀寫器。

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(nèi)的電荷。

這種測力貼紙的設計靈感來源于對電容變化的敏銳觀察。當施加外力時，聚合物壓縮，將銅條拉得更近，從而增加電容。通過這種設計，研究人員可以根據(jù)從數(shù)學RF建模中得出的優(yōu)化電容范圍設計，評估傳感器的轉(zhuǎn)換功能，并在COMSOL中執(zhí)行多物理模擬。

在ForceSticker的實際應用中，研究人員采用了兩種不同的4×2毫米傳感器實現(xiàn)，具有不同的Ecoflex聚合物層(可生物降解的鉑催化的硅基聚合物)和氯丁橡膠，覆蓋0至6 N和0至40 N的范圍，讀數(shù)誤差分別為0.25 N和1.6 N。此外，他們對ForceSticker進行了超過10,000次的壓力測試，沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的誤差下降。

這種無源RFID電子標簽使用反向散射進行電力和數(shù)據(jù)傳輸。它從RFID讀寫器接收輸入的無線電信號，通過電容器感應的電變化修改信號，然后將修改后的信號反射回RFID讀寫器，RFID讀寫器解讀并將其轉(zhuǎn)化為作用力。這種方法直接將傳感器產(chǎn)生的模擬RF相位變換插入RFID電子標簽的無線信道路徑中，創(chuàng)建了模擬-數(shù)字反向散射鏈路。

在實現(xiàn)傳感器集成的過程中，一個關鍵的挑戰(zhàn)是傳感器接口的設計。為了在不損失信號保真度的情況下實現(xiàn)傳感器集成，研究人員采用了匹配阻抗共面波導的方法。此外，為了獲得這種靈敏度調(diào)諧，電容器必須在零作用力下具有正確設計的“標稱值”。這是由模擬這種情況的各種非線性方程確定的，并考慮了傳輸線的阻抗和反射系數(shù)。

在模擬電容傳感器與數(shù)字識別RFID的接口時，研究人員通過將傳感器插入天線和與兩者并聯(lián)的RFID標簽之間來實現(xiàn)。然而，研究人員指出，存在兩種所謂的“退化”解決方案(意味著至少一個基本變量為零)。其中一種解決方案假設所有相位變化都直接從傳感器反射，沒有信號到達RFID模塊。而另一種解決方案則假設傳感器的容性轉(zhuǎn)換實際工作模式。這兩種解決方案都為該技術的進一步優(yōu)化提供了指導。

總的來說，加州大學圣地亞哥分校(UCSD)的這個團隊已經(jīng)通過開發(fā)ForceSticker這一創(chuàng)新的測力貼紙展示了工程突破的可能性。通過集成微型電容器和商用RFID 電子標簽，他們創(chuàng)造了一種能夠測量施加的力并將信息無線傳輸?shù)脑O備。

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(nèi)在能力。這賦予我們與周圍環(huán)境無縫互動的能力，也讓臨床醫(yī)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(yī)療植入物領域可能會對許多行業(yè)帶來革命性的變革。”

而且這種技術不僅具有在醫(yī)療和工業(yè)領域應用的潛力，而且還可以用于倉庫包裝的底部測量其重量。通過持續(xù)研究和創(chuàng)新，我們有理由相信未來會有更多這樣的突破來改善我們的生活和工作。

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審核編輯 黃宇