一种像皮肤一样移动同时又能保持电子产品信号强度的新材料，可以推动开发具有连续、一致的无线和无电池功能的下一代可穿戴设备。

根据发表在《自然》杂志上的一项研究，来自莱斯大学和汉阳大学的一个国际研究团队通过将高介电陶瓷纳米颗粒簇嵌入弹性聚合物中来开发这种材料。该材料经过逆向工程，不仅可以模拟皮肤弹性和运动类型，还可以调整其介电特性，以抵消运动对接口电子设备的破坏性影响，最大限度地减少能量损失并散热。

可拉伸可穿戴设备集成在新开发的材料基板上，该基板可以调整其介电特性，以抵消运动对接口电子设备的破坏性影响。在各种类型的变形运动下测试了系统的性能，包括扭转（左）和戳（右）。

“我们的团队能够将仿真和实验相结合，以了解如何设计一种可以像皮肤一样无缝变形的材料，并在拉伸时改变电荷在内部的分布方式，从而稳定射频通信，”莱斯大学机械工程助理教授、该研究的主要作者 Raudel Avila 说。“在某种程度上，我们正在精心设计对机械事件的电气响应。”

Avila 负责进行仿真以帮助确定正确的材料和设计选择，他解释说，电子设备使用天线等射频 （RF） 元件来发送和接收电磁波。

“如果您曾经去过蜂窝信号不佳或 Wi-Fi 信号非常不稳定的地方，您可能会理解信号微弱的挫败感，”Avila 说。“当我们尝试传达信息时，我们以特定频率工作：两个相互通信的天线以给定的频率进行通信。因此，我们需要确保该频率不会改变，以便通信保持稳定。在设计为移动和灵活的系统中实现这一目标的挑战在于，这些 RF 组件形状的任何变化或转换都会导致频移，这意味着您将遇到信号中断。

嵌入基材中的纳米颗粒用于抵消这些干扰，其中一个关键设计元素是它们的有意分布模式。粒子之间的距离及其团簇的形状在稳定射频元件的电性能和谐振频率方面都起着至关重要的作用。

“聚类策略非常重要，仅通过实验观察来弄清楚如何做到这一点需要更长的时间，”Avila 说。

汉阳大学前研究助理、现西北大学博士后研究员 Sun Hong Kim 指出，研究团队采取了一种创造性的方法来解决可拉伸电子产品中的射频信号稳定性问题。

“与之前专注于电极材料或设计的研究不同，我们专注于为无线设备所在的基板设计高介电纳米复合材料，”Kim 说，并强调了三个不同专业领域合作对于开发“复杂问题的这种多维解决方案”的重要性。

“我们相信我们的技术可以应用于各个领域，例如可穿戴医疗设备、软机器人和轻薄型高性能天线，”汉阳前研究助理、现任芬兰坦佩雷大学博士后研究员 Abdul Basir 说。

可穿戴技术正在对医疗保健产生深远影响，使新形式的个人监测、诊断和护理成为可能。智能穿戴市场预测反映了这些技术的变革潜力，其中健康和健身在最终用途方面占有最大份额。

“无线皮肤集成可伸缩电子设备在突发卫生事件、电子医疗保健和辅助技术中发挥着关键作用，”Basir 说。

为了测试这种材料是否能够支持有效可穿戴技术的发展，研究人员构建了几种可拉伸的无线设备，包括天线、线圈和传输线，并评估了它们在他们开发的基材和未添加陶瓷纳米颗粒的标准弹性体上的性能。

“当我们把电子元件放在基板上，然后拉伸或弯曲它时，我们看到系统的谐振频率保持稳定，”Avila 说。“我们证明，即使在压力下，我们的系统也能在最远 30 米（~98 英尺）的距离内进行稳定的无线通信。使用标准基板时，系统完全失去了连接性。

远场通信系统的无线工作距离超过了任何其他类似的皮肤接口系统。此外，这种新材料可用于增强各种可穿戴平台的无线连接性能，这些平台旨在适应各种尺寸的各种身体部位。

例如，研究人员开发了可穿戴的仿生手环，可以戴在头、膝、手臂或手腕上，以监测全身的健康数据，包括脑电图 （EEG） 和肌电图 （EMG） 活动、膝关节运动和体温。头带戴在幼儿头上时可以伸展高达 30%，戴在成人头上时可以伸展高达 50%，成功地在 30 m 的无线距离上传输实时脑电图测量值。

Avila 说：“能够无缝贴合皮肤形态并监测关键生理信号的皮肤接口可拉伸射频设备需要对各个材料布局和电子元件进行关键设计，以产生不会破坏用户体验的机械和电气特性和性能。“随着可穿戴设备的不断发展并影响社会与技术互动的方式，尤其是在医疗技术的背景下，高效可拉伸电子产品的设计和开发对于稳定的无线连接至关重要。”