無源“受力”貼紙，重新定義精準測量

測量物體之間施加的力是一個復雜的過程，雖然聽起來簡單，但實際操作并不容易。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)了一種電子"貼紙"來協(xié)助測量這些現(xiàn)象。

這些力量貼紙是無線的，無需電池，而且可以適應狹小的空間，因此適用于各種行業(yè)的多種應用。根據(jù)工程師的說法，這種裝置可以用于膝關節(jié)植入，用以定量測量植入物對關節(jié)所施加的壓力。監(jiān)測這些力的變化對于評估植入物的適合性和磨損情況非常關鍵。

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?！?/p>

這些力量貼紙由兩個主要部分組成。首先是一種幾毫米厚、尺寸與米粒相當?shù)男⌒碗娙萜?。另一個組件是射頻識別（RFID）貼紙，類似于條形碼，可以通過無線電波無線讀取。研究人員采用創(chuàng)新的方法將這兩個組件連接起來，用于測量物體所受的力，并將這些信息無線傳輸?shù)絉FID讀卡器。

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，從而增加電容器內的電荷。

研究人員指出，由于施加的力導致電荷增加，這對于改變RFID標簽所產(chǎn)生的信號變化非常重要。RFID讀卡器遠程監(jiān)測這些變化，并將其轉化為相應的力量數(shù)值。這種改變RFID信號的方法允許力量貼紙內的組件變得非常小，相比之前用于改變RFID信號的方法，其尺寸減小了一千倍。

與此同時，RFID貼紙通過一種稱為反向散射的機制傳輸無線電信號，功耗非常低。它接收來自RFID讀卡器的無線電信號，通過電容器引起的電荷變化對信號進行改變，然后將已改變的信號返回給讀卡器，讀卡器對其進行解析，并將其轉換為相應的力量數(shù)值。因此，這種力量貼紙的能耗非常低。

另一個設計方面是電容器可以根據(jù)不同的力范圍進行定制。通過更換柔軟或堅硬的聚合物層，可以調整電容器以監(jiān)測不同范圍內的壓力。

在研究中，研究人員創(chuàng)建和測試了兩種類型的力量貼紙以驗證其可行性。一種力量貼紙的電容器由極軟的聚合物制成，用于監(jiān)測微小的力量，適用于模擬膝關節(jié)的研究中。當將這種力量貼紙放入關節(jié)后，研究人員施加壓力時，它能夠精確檢測到不同的力量。第二種力量貼紙具有較堅硬的聚合物電容器，經(jīng)過實驗在倉庫包裝領域進行了評估。它被粘貼在盒子的底部，可以準確評估放在盒子內的各種物品的重量。

據(jù)團隊表示，在測試中，這些力量貼紙表現(xiàn)得非常堅固。它們能夠抵抗超過10,000次的力的施加，同時保持準確性。此外，根據(jù)研究人員的說法，它們可以以非常低的成本生產(chǎn)，每張貼紙的成本不到2美元。

然而，這項技術也有其局限性，科學家指出這些力量貼紙只能在靜態(tài)環(huán)境下正常工作，不適用于高度動態(tài)的情況。

電子與計算機工程博士生和研究的合著者Agrim Gupta表示：“如果我們能夠商業(yè)化這項技術，可以想象未來這些貼紙可以像創(chuàng)口貼一樣廉價銷售。”

這項研究的詳細信息已經(jīng)發(fā)表在ACM。