通过自供电传感节点实现的大范围、耐腐蚀的压力到频率转换技术，用于无线握力监测

《Nano Energy》：Broad-range, durable pressure-to-frequency transduction for wireless grip monitoring enabled by a self-powered sensing node

　　

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  开发了一种基于TCR-TENG驱动的无线握力监测系统（WGS），该系统利用了LC谐振频率编码技术。
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  制造了一种多孔PI电容传感器，具有1.7 MPa的宽压力范围，并在超过11,000次循环后仍保持稳定的耐用性。
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  通过与商用测力计的对比验证，显示出高重复性（CV < 5%），并配备了自动数据记录接口。

引言

人口老龄化以及中风和其他神经系统疾病负担的增加，使得对康复策略的需求日益增长，这些策略需要超越传统的临床评估[1]，[2]。手部康复通常需要长时间且重复性的练习，而定量反馈可以支持在康复活动中客观记录功能变化[3]。握力被广泛用作功能指标，因为它易于测量，能反映身体功能的变化，并且可能有助于量化与握力相关的功能性改善[4]，[5]，[6]。因此，一个实用的家庭监测工具应具备易用性、低维护要求、无线读取功能以及稳定的重复测量能力。

当前的技术仅部分满足了这些需求。电池供电的可穿戴和手持设备需要定期充电或更换电池，而电池老化会导致容量下降、内阻增加以及功率输出能力减弱。这些因素增加了维护需求，并可能影响系统的稳定性[7]，[8]。常规的握力评估通常使用手持测力计进行，测量结果用于后续的临床解释和跟踪[6]，[9]。尽管测力法提供了一种实用且临床上认可的握力测量方法，但这种工作流程不太适合自动化和重复性的数字记录，特别是在家庭应用中。最近的研究展示了基于家庭的远程康复和远程监测的可行性和临床价值，但这些方法依赖于客观、可数字访问的测量数据[10]，[11]。因此，一种能够将重复的握力事件转换为无线、机器可读记录的传感架构，无需频繁充电或更换电池，将是为未来的家庭握力监测提供一种有前景的方法。最近的自供电无线传感系统结合了摩擦电能量收集和通信模块，证明了无需电池即可实现实时压力监测的可行性[12]，[13]。

摩擦电纳米发电机（TENGs）通过将低频机械运动转换为电能，提供了一种自供电传感的有前景的方法[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。最近的研究表明，接口调节和结构优化可以提高TENG的性能，从而实现高性能的自供电传感系统[19]，[20]。类晶体管的电荷调节（TCR）架构可以快速释放电荷，并增加与外部电路接口的瞬态电流[16]。这一特性使它们特别适合间歇性地驱动谐振无线发射器。然而，许多自供电无线传感方案通过在信号幅度中编码信息来实现这一点，但这可能会受到无线耦合条件（如发射器与接收器之间的距离和线圈方向）的影响[16]，[21]。频率编码提供了一种替代策略，因为谐振主要由电路的无功组件决定。将压力敏感电容集成到LC谐振器中，可以将机械压力映射到谐振频率上，同时降低编码传感变量对接收到的幅度波动的依赖性[22]。基于TENG的压力传感平台也被用于人类活动监测和医疗应用[23]，[24]。除了传感示范之外，人工智能辅助的计算方法和先进的功能材料正在推动智能设备的发展。这些进步为优化下一代自供电传感系统的材料和架构提供了新的机会[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。

在这里，我们介绍了一个无线握力监测系统，该系统结合了一个由TCR-TENG驱动的自供电传感节点和一个用于频率调制的多孔PI电容压力传感器。机械振动激活TCR-TENG，在谐振电路中产生一个瞬态脉冲，而握力引起的压力变化则改变传感器的电容，从而改变谐振频率。压力传感器具有宽广的检测范围和出色的循环耐用性，能够在重复的握力事件中保持稳定的电容调制。快速傅里叶变换（FFT）分析用于确定主要谐振频率，然后使用校准的关系将其转换为压力和握力。总体而言，所提出的平台集成了一个由TCR-TENG驱动的自供电传感节点、一个稳健的压力到电容接口以及抗幅度变化的频率编码机制，为未来基于家庭的握力监测应用提供了概念验证方法。

部分摘录

无线握力监测系统的系统架构

图1展示了WGS的概念和架构，包括应用场景和系统配置。便携式传感节点设计用于家庭中的重复训练和握力测量，用户握住固定结构并轻轻摇晃设备以触发无线读数（图1a）。在这种受限的几何结构中，接触面积和负载路径基本保持不变，从而可以用施加的压力来表示与握力相关的力。

结论

我们开发了一个基于自供电TCR-TENG驱动传感节点的无线握力监测平台，其中与握力相关的压力通过集成在LC电路中的PI电容传感器转换为谐振频率的变化。这种分层的多孔PI电容传感器结合了分阶段的机械压缩和界面应力缓冲，实现了宽广的压力工作范围、毫秒级的响应时间，并在11,000次循环后仍保留了大约97%的初始输出。

TCR-TENG的制造

TCR-TENG采用了从前述类似湍流的电荷调节能量收集器[16]改进的模块化架构制造而成。该设备由一个可移动的管状摩擦电单元、一个门控触发开关模块和一个外部支撑框架组成。这种架构结合了受晶体管启发的开关路径和分布式电荷传输通道，以便在周期性机械激励下快速释放电荷。

摩擦电单元使用了FEP

CRediT作者贡献声明

林思明：方法论、研究。朱文轩：方法论。甘立天：方法论、数据管理。陈欣：监督。黄青萍：监督。谢斌：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据管理、概念化。郭圆辉：研究、数据管理。肖宇：验证。刘慧龙：验证。侯茂祥：方法论。陈云：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（52422511）、中国国家重点研发计划（2025YFH0102400）、广东省科技计划（2026B0101140001）和广州市基础与应用基础研究基金（2024A04J6362）的支持。

利益冲突

作者声明没有竞争性利益。

谢斌于2023年在中国广州的广东工业大学获得了硕士学位。他目前正在广州的广东工业大学攻读博士学位。他的研究兴趣包括自供电无线传感器及相关研究。

谢斌|郭圆辉|甘立天|林思明|朱文轩|肖宇|刘慧龙|侯茂祥|陈云|陈欣|黄青萍