当前对柔性电子学的研究为无线传感器铺平了道路，该传感器可以戴在身上并收集各种医疗数据。但是数据去哪儿了?如果没有类似的灵活传输设备，这些传感器将需要有线连接来传输健康数据。

宾夕法尼亚州立工程学院工程科学与力学助理教授Dorothy Quiggle职业发展助理教授Huanyu“ Larry” Cheng和两个国际研究人员团队正在开发设备，以探索可穿戴，柔性天线的可能性。他们在四月份的《纳米微信和材料与设计》上发表了两篇论文。

可穿戴天线弯曲，拉伸，压缩而不会影响功能

与可穿戴式传感器一样，可穿戴式变送器也需要在人的皮肤上安全使用，并在室温下正常工作，并且能够承受扭曲，压缩和拉伸。但是，发射器的灵活性带来了一个独特的挑战：压缩或拉伸天线时，它们的谐振频率(RF)会发生变化，并且它们会以可能与天线预期接收器的波长不匹配的波长发射无线电信号。

“改变天线的几何形状将改变其性能，” Cheng说。“我们希望以一种几何结构为目标，该结构允许运动，同时保持发射频率不变。”

研究团队分层创建了灵活的发射器。在先前研究的基础上，他们制作了具有重叠波浪线图案的铜网。该网孔构成了接触皮肤的底层和充当天线中辐射元件的顶层。顶层在压缩时会创建一个双弓，在拉伸时会拉伸，并在这些阶段之间按有序的步骤移动。程说，通过天线网拱形，展平和拉伸的结构化过程，可以改善层的整体柔韧性，并减少天线状态之间的RF波动。

能源效率是另一个优先事项。底层网状层可防止无线电信号与皮肤相互作用。除了防止组织损伤之外，该实施方式还避免了由于组织使信号降级而导致的能量损失。程说，天线保持稳定射频的能力还使发射机能够从无线电波中收集能量，从而有可能降低外部能源的消耗。

由宾夕法尼亚州立大学的工程师领导的新研究正在为可收集和传输信息的无线可穿戴健康监控设备铺平道路。图片提供：宾州州立大学郑焕宇

程说，该发射机可以在近300英尺的范围内发送无线数据，可以轻松集成许多计算机芯片或传感器。随着进一步的研究，它可能会在健康监测和临床治疗以及能量产生和存储中得到应用。

“我们已经证明了可伸缩发射机中强大的无线通信能力，” Cheng说。“据我们所知，这是第一款可穿戴天线，在相对较大的拉伸范围内，其谐振频率几乎完全不变。”

使用常数变量实现进一步的天线定制

在开发了可拉伸天线原型之后，Cheng与另一个研究小组对其进行了分析。研究人员旨在寻找新的基本途径，以微调此类设备，从而可以应用于类似的未来研究中。

“我们想通过研究机械性能和电磁行为之间的联系来调查问题，” Cheng说。“强调这种关系可以揭示有关不同参数对天线性能的影响的见解。”

该团队制造了一种天线，其层和网状图案与他们之前的原型相似，但缺少双拱形压缩结构。他们测量了网格以不同间隔拉伸时天线的变形，然后使用计算机仿真来检查变形与天线性能之间的关系。

为了简化对天线无线电信号传输的分析，研究人员使用一种数学技术将某些测量值(例如重复网格图案的宽度和角度)转换为常数。通过称为归一化的过程，研究人员可以通过消除归一化变量的影响来关注特定变量之间的关系。

在此视频中，研究人员测试了压缩和拉伸早期原型时有序的结构变化。与最终的可穿戴发射器不同，此设备在压缩时会创建一个拱门，而不是两个。信用：程焕宇

研究小组发现，对不同变量进行归一化为定制天线性能提供了几种途径。他们还发现，即使使用相同的归一化变量集，网格的模拟几何形状也可以产生不同的结果。

尽管研究人员分析了可穿戴天线的性能，但Cheng强调他们的方法可以应用于其他射频设备。

程说：“我们已经表明，您不必局限于探索一个归一化变量的影响。” “使用这种方法，我们可以为其他使用微波进行通信的天线或设备定制属性。”

展望未来

Cheng和他的合作者将继续通过基于应用的研究以及进一步优化设计过程的基础探索来研究促进这些设备开发的方法。

程说：“我们很高兴这项研究有一天会导致穿戴在人体上的传感器和发射器网络相互之间以及与外部设备的通信，” Cheng说。“我们目前正在想象的是科幻小说，但我们正在努力使它成为现实。”

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