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  在萬物互聯(lián)的今天，人與機(jī)器的交互再次成為科學(xué)研究與生產(chǎn)生活所關(guān)注的焦點(diǎn)，催生了移動(dòng)醫(yī)療、無人駕駛等新興領(lǐng)域。近年來，各種柔性電子與離子器件不斷涌現(xiàn)，其在工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展依賴于集成化離-電混合系統(tǒng)，因而電子與離子器件間的信號(hào)傳遞至關(guān)重要。由于電子與離子在物理和化學(xué)性質(zhì)上存在較大差異，電子信號(hào)與離子信號(hào)能否可靠有效地傳遞是一個(gè)重要的科學(xué)問題，將直接影響人機(jī)交互的可靠性。

  最近，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組與西安交通大學(xué)賈坤副教授課題組合作，對(duì)這一重要科學(xué)問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，提出了一種新的信號(hào)傳遞方式——離磁感應(yīng)。他們以水凝膠作為離子導(dǎo)體，通過電磁鐵在其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。該交變磁場(chǎng)在水凝膠中產(chǎn)生電場(chǎng)，驅(qū)使自由離子定向運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生離子電流，從而在水凝膠兩端形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了電子與離子間的信號(hào)傳遞。當(dāng)水凝膠與電壓表相連時(shí)，能夠測(cè)得對(duì)應(yīng)的開路電壓。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算，得到了產(chǎn)生的電壓不隨水凝膠離子濃度變化的重要結(jié)論。同時(shí)，基于離磁感應(yīng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了具有無線信號(hào)傳輸與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的柔性離電子變壓器，為電子與離子間的信號(hào)傳遞提供了理論指導(dǎo)和發(fā)展思路。

  如圖1 所示，當(dāng)與電壓表相連的水凝膠處于交變磁場(chǎng)中時(shí)，水凝膠中的正負(fù)離子在感生電場(chǎng)的作用下移動(dòng)。由于水凝膠與金屬電極不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，正負(fù)離子分別積聚在水凝膠/電極界面處，吸引或排斥電極上的自由電子，從而在水凝膠兩端測(cè)得開路電壓。

圖1 離磁感應(yīng)基本原理

  為了深入研究離磁感應(yīng)效應(yīng)，他們將水凝膠擺放在金屬線圈附近，通過對(duì)金屬線圈施加交變電流以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，系統(tǒng)測(cè)量了水凝膠兩端的開路電壓（圖2）。首先， 在不同電流下，對(duì)具有不同離子濃度水凝膠兩端的開路電壓進(jìn)行了測(cè)量，得到了產(chǎn)生的電壓與施加電流成正比且不隨離子濃度變化的重要結(jié)論。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)水凝膠兩端的電壓與具有相同幾何構(gòu)型的金屬導(dǎo)體兩端的電壓相同，即離磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓與導(dǎo)體種類無關(guān)。這一結(jié)論與法拉第電磁感應(yīng)定律相一致。其次，由于離磁感應(yīng)效應(yīng)與磁場(chǎng)大小直接相關(guān)，水凝膠的擺放位置以及水凝膠與金屬線圈之間的距離都將影響水凝膠兩端電壓的大小。此外，通過電路模型分析和有限元計(jì)算，對(duì)離磁感應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)，得到了與實(shí)驗(yàn)測(cè)量一致的結(jié)果。

圖2 水凝膠兩端的離磁感生電壓

  基于離磁感應(yīng)效應(yīng)，他們?cè)O(shè)計(jì)了柔性離電子變壓器（圖3）。離電子變壓器由金屬線圈與同軸水凝膠線圈組成，當(dāng)金屬線圈中通過交變電流時(shí)，水凝膠線圈中會(huì)感生出離子電流，從而在其兩端產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。結(jié)果表明，產(chǎn)生的電壓與水凝膠線圈的匝數(shù)以及金屬線圈中交變電流的頻率成正比。同時(shí)，除了正弦信號(hào)，該變壓器還可以有效地傳輸包含多種頻率信息的復(fù)雜信號(hào)。此外，柔性離電子變壓器具有無線信號(hào)傳輸、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等功能（圖4）。

圖3 離電子變壓器

圖4 無線信號(hào)傳輸與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

  鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)與賈坤副教授團(tuán)隊(duì)合作，以水凝膠為離子導(dǎo)體，磁場(chǎng)為媒介，提出了一直新的電子信號(hào)與離子信號(hào)間傳遞的方式——離磁感應(yīng)。通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量，揭示了離磁感應(yīng)效應(yīng)的物理原理，設(shè)計(jì)了柔性離電子變壓器，實(shí)現(xiàn)了無線信號(hào)傳輸與運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，為離磁感應(yīng)在復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)與生物組織中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

  這項(xiàng)研究工作發(fā)表于Materials Horizons。論文第一作者為王葉成博士（哈佛大學(xué)博士、博士后），第二作者為解社娟副教授（西安交通大學(xué)），第三作者為白陽（西安交通大學(xué)碩士生）。美國科學(xué)院院士、美國工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授和西安交通大學(xué)賈坤副教授為論文通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1MH00418B