一拉就稳！攻克可穿戴无线“应变漂移”难题！

一、研究背景

皮肤贴附式可拉伸电子在健康监测、人机交互、柔性机器人等领域快速发展，无线通信与无线供电是其核心功能。但人体运动带来的皮肤拉伸（可达30%）会显著改变射频（RF）器件（天线、感应线圈、传输线）的几何尺寸与基底介电常数，导致谐振频率漂移、无线信号衰减、供电中断，严重降低系统可靠性。传统弹性基底（如Ecoflex）的介电常数恒定不变，拉伸时线圈/天线面积增大、电容上升，必然引发频率偏移；同时传统材料还存在介电损耗高、散热差等问题，无法满足动态穿戴场景下应变不敏感、稳定无线传输的迫切需求。因此，亟需开发一种应变下介电常数可自适应调控的新型弹性基底材料，从材料层面补偿拉伸带来的射频性能漂移。

二、研究亮点

1. 提出介电弹性体（DEE） 基底，拉伸时介电常数近线性降低，精准抵消线圈/天线电容增大，0%–30%应变下谐振频率几乎不变。

2. 低介电损耗（0.0043–0.0074）、高热导率（~0.37 W m?1 K?1）、高柔性（80 kPa）、大断裂应变（380%），兼顾机械与电学优势。

3. 兼容远场天线、近场感应线圈、传输线等各类射频单元，可集成传感与蓝牙模块，实现拉伸状态下连续无线供电与生理信号传输。

三、研究内容

图1｜DEE基底与应变不敏感无线系统

A：传统可拉伸无线系统拉伸后谐振频率漂移、通信中断。

B：DEE机理：BaTiO?团簇拉伸变形→介电常数降低→补偿频率漂移。

C：DEE基底的可穿戴无线系统实物图。

D–F：应变下对比：Ecoflex线圈频率漂移、LED熄灭；DEE线圈频率稳定、LED常亮。

G–H：系统贴附手腕，贴合性好，可监测桡动脉脉搏。

I–J：拉伸后Ecoflex系统无线断开、脉搏信号丢失；DEE系统连续稳定工作。

K：仿生穿戴带实现20米远距离膝关节运动数据实时传输。

将高介电常数BaTiO?陶瓷纳米颗粒团聚形成微米级团簇，嵌入弹性体基体；拉伸时团簇由球形变为椭球形，实现介电常数随应变自适应下降。

在DEE与传统Ecoflex基底上分别制备可拉伸感应线圈，对比拉伸下谐振频率、无线供电能力。

构建基于DEE的可拉伸无线医疗监测系统，在手腕拉伸、弯曲、扭转、日常运动下测试无线稳定性与脉搏监测精度。

将DEE射频单元用于仿生穿戴带，实现膝关节运动、脑电（EEG）、肌电（EMG）信号20米远距离稳定无线传输。

四、总结与展望

本论文前瞻介绍了一种面向可拉伸射频电子的介电弹性体（DEE） 新型基底材料，通过将高介电常数BaTiO?纳米颗粒团簇嵌入弹性基体，实现了应变下介电常数的近线性自适应降低，从材料本征特性上补偿了拉伸导致的谐振频率漂移，使天线、感应线圈、传输线等核心射频单元在0%–30%大应变下仍保持近乎恒定的无线性能，同时DEE具备低介电损耗、高热导率、高柔性与高拉伸性等综合优势，成功构建出可在动态穿戴环境下稳定工作的无线医疗监测系统，实现连续无线供电与脉搏等生理信号采集，并可拓展至仿生穿戴带实现远距离多模态信号传输，为解决可拉伸电子“一拉就断联”的行业痛点提供了革命性材料方案。尽管DEE实现了应变不敏感的稳定无线传输，但可穿戴生理监测仍面临运动伪影干扰、无线医疗系统供电续航不足、柔性电源与系统集成度有待提升等挑战，未来需结合先进电路设计、抗伪影算法、低功耗芯片与柔性电池/储能技术，进一步优化系统整体鲁棒性、续航能力与信号质量，推动DEE基底在长期健康监测、智能假肢、软机器人、元宇宙交互等领域的实用化与普及化。

文献链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.matt.2025.102464