综述解读|柔性可穿戴传感无线技术:材料设计、系统集成与医疗应用

面向无线柔性传感、导电墨水成型、DIW浆料直写制备柔性天线/传感元件科研需求,天津铂邦科技可提供适配金属、碳、MXene导电浆料的打印设备,支持柔性无线模块一体化成型研发。

本文为Advanced Materials顶刊综述,本文为综述类文章,调整标题为「综述解读」而非顶刊解读。当前多数柔性传感研究仅聚焦敏感元件本身,缺少对无线传输模块、配套导电材料、整机集成体系的系统性梳理。该综述完整打通无线可穿戴传感全链条,从主流无线通信方案、导电功能材料、两种集成架构、皮肤/植入两大应用场景逐层展开,全面总结领域进展、现存短板与未来发展方向,对DIW打印柔性无线天线、传感阵列研发具备极高参考价值。

无线柔性传感全圈层体系原理图
配图1:综述整体框架图,内层导电材料、中层无线通信、外层各类生理监测应用分层架构

主流无线通信技术特性对比

综述系统对比RFID、NFC、蓝牙、Wi-Fi/Zigbee、LoRa五类适用于柔性穿戴的无线传输方案,从传输距离、功耗、传输速率、安全性、工作频率五大维度量化区分:NFC、无源RFID无需电池,但传输距离仅厘米级;蓝牙功耗适中、匹配智能手机,是皮肤穿戴主流,但需配套供电;LoRa可实现数公里远距离低功耗传输,适合远程医疗云监测;Wi-Fi传输速率高但功耗大。不同场景可匹配对应无线模块,依托DIW直写导电线路可柔性化制备各类天线线圈。

三大类柔性导电无线模块材料体系

综述将柔性天线、传感线圈导电材料划分为金属、碳基、MXene三大体系,分别梳理成型工艺、力学与射频性能:

1. 金属材料:银纳米颗粒/银薄片、银纳米线、液态金属,导电率最优,拉伸性能差异化明显,液态金属可承受超1000%形变,适合高拉伸无线器件,可通过DIW直写、丝网印刷制备柔性天线;

银薄片、银纳米线、液态金属无线器件实物与微观SEM图
配图2:金属基导电材料微观形貌与拉伸天线实物样品

2. 碳基材料:氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯纸,成本更低,湿度、气体敏感特性强,适合无源chipless无线传感标签,导电性弱于金属;

3. MXene二维材料:导电性介于碳与金属之间,可溶液化制备墨水,超薄薄膜兼具透光与拉伸特性,是近年柔性无线器件热门材料,适配DIW溶液成型工艺。

MXene柔性NFC天线实物与射频性能曲线
配图3:MXene打印NFC天线样品与不同拉伸状态下射频损耗测试图谱

柔性传感系统两种集成方案

文章将无线模块与柔性传感器集成分为混合集成、单片集成两条技术路线:

混合集成:传感单元与无线PCB/线圈通过导线外接,工艺成熟,蓝牙穿戴器件多采用该方案,缺点是多层结构厚度大、形变易接触不良;

单片集成:传感敏感层与天线线圈一体化制备,无外接线路,超薄贴合皮肤,无源RFID/NFC标签主流方案,依托DIW多材料共打印可一步成型传感-天线一体化薄膜。

皮肤贴合与植入式无线传感应用

应用层面分为体表贴附电子皮肤、体内植入器件两大板块:体表器件监测汗液离子、脉搏、人体运动,可搭配自驱动汗液电池、摩擦纳米发电机实现无源无线监测;植入器件包含智能隐形眼镜、脑机神经探针、血管支架传感,对材料生物相容性、器件微型拉伸性要求严苛,无线感应线圈成为体内信号传输核心载体。

行业现存挑战与未来发展方向

当前核心瓶颈:无线模块刚性芯片难以完全柔性、人体电磁干扰导致信号失真、导电材料循环拉伸性能不足、植入材料生物降解性欠缺;未来方向:高拉伸导电墨水开发、单片一体化DIW增材制造、自供能无线传感、AI信号耦合、可降解植入无线器件。

本文完整梳理无线柔性传感全套材料、通信、集成与应用体系,各类金属、碳、MXene导电天线成型方案均可通过天津铂邦科技DIW浆料直写设备完成试样开发,适配无源RFID/NFC线圈、蓝牙柔性电路、拉伸传感阵列的浆料调配与一体化打印。天津铂邦科技专注DIW浆料直写设备研发制造,可根据科研、量产需求,提供标准化打印整机、软硬件系统定制、专属导电浆料工艺全流程技术服务。

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