基于无线技术的可穿戴电子器件为人体健康监测、可植入医学等人机交互系统提供了简便、无电池平台。目前商用的无线可穿戴器件已经能够精准监测体温、血压等生理参数，尽管如此，这类器件的生物舒适度、使用年限等依然不尽如人意。因此，发展高精度图案化可拉伸透明材料并实现拉伸状态下的高效无线能量传输是进一步改善可穿戴电子器件性能的关键。中科院北京纳米能源与系统研究所的王贤迪、潘曹峰以及王中林等人报道介绍了一种由银纳米纤维线圈和功能电子元件（可进行能量传输及信息交流）构成的新型高度可拉伸透明无线电子器件。研究人员受到自然启发，通过光刻和湿法刻蚀方法制备了具有网状结构的图案化银纳米纤维电极。研究从应变作用的角度，通过分析线圈品质因子（quality factor）和射频（radio frequency）性能优化了器件设计。通过这一优化，线圈在应变为100%、10MHz的条件下，线圈的无线传输效率仅仅损失了50%左右。结合近场通信和调频技术，研究还发展了可用于内容识别和长距传输（>1米）的复杂无线设备，展示了该新型器件在电子皮肤、健康监测等领域的应用前景。相关工作以“High precision epidermal radio frequency antenna via nanofiber network for wireless stretchable multifunction electronics”为题发表在Nature Communications。图案化银纳米纤维线圈的制备研究人员首先注意到自然界中的树叶叶脉、丝结构等具有透明度高、可拉伸性能优异等特点，受此启发，研究模仿树叶的二维分歧结构制备了银纳米纤维网电极。为了实现器件集成，研究再通过静电纺丝、磁控溅射、光刻以及湿法刻蚀等在PDMS衬底上对银纳米纤维电极进行图案化。对于无线电子设备来说，电感与交流电阻的比值（Q）是重要的参数指标。为了优化器件设计，研究人员分析了线圈圈数、形状、密度等因素，发现Q值与线圈结构高度相关；特别是对线圈圈数和长度进行优化能够展现出强大的耦合作用，从而可实现更高的Q值。图1 高精度图案化银纳米纤维线圈的制备和表征拉伸应变下的银纳米纤维线圈射频性能之后研究评价了拉伸状态下银纳米纤维电极的射频性能。研究发现，由于银纳米纤维电极有一定硬度，因此其承受应变状态会出现裂痕。而对于线圈来说，裂痕数目能够决定交流电阻，从而在应变下改变Q值以及自谐振频率（f0）。此外，研究还发现，带角的线圈形状（如方形）在角上具有更大的应力，从而产生更多的裂痕，因此研究人员认为环状线圈更适合于可拉伸电子设备。进一步研究显示，在拉伸应变状态下随着线圈圈数的增加会提高串联电阻，导致f0向低频率的移动减缓；而在无应力条件下，线圈圈数的增加能够显著增强电感，导致f0向低频率快速移动。最后，研究还发现沿着拉伸方向的电极边缘具有更大的应力，因此认为基于无规取向银纳米纤维的环状电极能够表现出更好的拉伸性能，是一种更加理想的可拉伸电子结构设计。图2拉伸应变下的线圈射频性能无线能量传输及信号检测系统最后，研究人员将发展的可拉伸透明银纳米纤维线圈与微型电子元件进行集成，从而组装形成更为复杂的功能化无线电子设备。基于此策略，研究利用光刻和三维打印技术制造了无线发光二极管，证明了集成器件具有无线能量传输能力。此外，利用近场通信标签，此类设备在拉伸应变状态下能够准确获取谐波频率；而结合调频技术，即使在距离不断增加的条件下，线圈依然能够获取音频并清楚分辨低频信号。图3 可用于能量传输和数据通信的无线电子设备结论：综上所述，该工作展示了一种新型高度可拉伸透明螺旋线圈天线。受到树叶叶脉等自然结构启发，研究人员制备了数种具有网状结构的高精度图案化银纳米纤维电极，并通过结构优化设计有效地改善了线圈的Q值和射频性能。在磁谐振耦合模式的基础上，该种线圈再拉伸状态下依然能够展现出优异的无线传输能力。此外，利用近场通信标签（NFC tag）和调频技术，集成了银纳米线圈和微型电子元件的系统还分别成功实现了短距内容识别和长距音频传输功能。结合这些发现和成果，研究人员认为这类新型器件在信息识别、可穿戴设备等领域均有巨大的应用前景。参考文献：High precision epidermal radio frequency antenna via nanofiber network for wireless stretchable multifunction electronics文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19367-8