該設備無需笨重的芯片或電池即可感應和無線傳輸與脈搏、汗液和紫外線照射相關的信號。

得益于無線技術，可穿戴傳感器無處不在，該技術使人的葡萄糖濃度、血壓、心率和活動水平能夠從傳感器無縫傳輸到智能手機以進行進一步分析。

如今，大多數無線傳感器通過嵌入式藍牙芯片進行通信，這些芯片本身由小型電池供電。但是這些傳統的芯片和電源對于下一代傳感器來說可能太笨重了，下一代傳感器正在采用更小、更薄、更靈活的形式。

現在，麻省理工學院的工程師設計了一種新型可穿戴傳感器，無需板載芯片或電池即可進行無線通信。他們的設計今天在《科學》雜志上進行了詳細介紹，為無芯片無線傳感器開辟了道路。

該團隊的傳感器設計是一種電子皮膚或“e-skin”——一種像電子透明膠帶一樣貼合皮膚的柔性半導體薄膜。傳感器的核心是超薄、高質量的氮化鎵薄膜，這種材料以其壓電特性而聞名，這意味著它既可以響應機械應變產生電信號，又可以響應電脈沖產生機械振動.

研究人員發現他們可以利用氮化鎵的雙向壓電特性，并將該材料同時用于傳感和無線通信。

在他們的新研究中，該團隊生產了純凈的單晶氮化鎵樣品，并將其與金導電層配對，以增強任何傳入或傳出的電信號。他們表明，該設備足夠靈敏，可以根據人的心跳以及汗液中的鹽分進行振動，并且該材料的振動會產生可以被附近的接收器讀取的電信號。通過這種方式，該設備能夠無線傳輸傳感信息，而無需芯片或電池。

該研究的通訊作者、機械工程和材料科學與工程副教授 Jeehwan Kim 說：“芯片需要大量電力，但我們的設備可以使系統非常輕巧，而無需任何耗電的芯片。”和電子研究實驗室的首席研究員。“你可以把它像繃帶一樣貼在身上，與手機上的無線閱讀器配對，就可以無線監測你的脈搏、汗水和其他生物信號?！?/span>

Kim 的合著者包括作者和前麻省理工學院博士后 Yeongin Kim，他現在是辛辛那提大學的助理教授；韓國化妝品公司 AMOREPACIFIC 的共同通訊作者 Jiyeon Han，這有助于推動當前的工作；麻省理工學院 Kim 研究小組的成員；和弗吉尼亞大學、圣路易斯華盛頓大學以及韓國多個機構的其他合作者。

純共振

Jeehwan Kim 的團隊之前開發了一種稱為遠程外延的技術，他們已使用該技術從涂有石墨烯的晶片上快速生長和剝離超薄、高質量的半導體。利用這種技術，他們制造并探索了各種柔性、多功能的電子薄膜。

在他們的新研究中，工程師們使用相同的技術剝離了氮化鎵的超薄單晶薄膜，這種薄膜以其純凈、無缺陷的形式是一種高度敏感的壓電材料。

該團隊希望使用純氮化鎵薄膜作為表面聲波的傳感器和無線通信器，表面聲波本質上是薄膜上的振動。這些波的模式可以表明一個人的心率，或者更微妙地表明皮膚上某些化合物的存在，例如汗液中的鹽分。

研究人員假設，附著在皮膚上的氮化鎵傳感器將具有其自身固有的“共振”振動或頻率，壓電材料會同時將其轉換為電信號，無線接收器可以記錄該頻率。皮膚狀況的任何變化，例如心率加快，都會影響傳感器的機械振動，以及它自動傳輸到接收器的電信號。 

“如果脈搏、汗液中的化學物質，甚至皮膚受到紫外線照射有任何變化，所有這些活動都會改變氮化鎵薄膜上的表面聲波模式，”Yeongin Kim 指出。“而且我們膠片的靈敏度非常高，可以檢測到這些變化?！?/span>

波傳輸

為了驗證他們的想法，研究人員制作了一層純優質氮化鎵薄膜，并將其與一層金配對以增強電信號。他們以重復啞鈴的形式沉積黃金——一種格子狀的結構，為通常剛性的金屬賦予了一定的柔韌性。他們認為是電子皮膚樣本的氮化鎵和金的厚度僅為 250 納米，比人類頭發的寬度薄約 100 倍。

他們將新的電子皮膚放在志愿者的手腕和脖子上，并使用放在附近的簡單天線無線記錄設備的頻率，而無需物理接觸傳感器本身。該設備能夠感應并無線傳輸志愿者皮膚上氮化鎵表面聲波與心率相關的變化。

該團隊還將該設備與薄離子傳感膜配對 - 一種選擇性吸引目標離子的材料，在這種情況下是鈉。通過這種增強功能，該設備可以感應并無線傳輸變化的鈉含量，因為志愿者握住熱墊并開始出汗。

研究人員將他們的結果視為邁向無芯片無線傳感器的步，他們設想當前的設備可以與其他選擇性膜配對以監測其他重要的生物標志物。

“我們展示了鈉傳感，但如果你改變傳感膜，你可以檢測到任何目標生物標志物，如葡萄糖或與壓力水平相關的皮質醇，”合著者和麻省理工學院博士后 Jun Min Suh 說。“這是一個多功能的平臺。”

這項研究得到了愛茉莉太平洋的支持。