采用优化线圈以提高无线供电效率的微型柔性皮肤湿度传感器

微小皮肤贴片为何重要

保持水分不仅仅取决于你喝了多少水——皮肤的湿度能反映出健康、康复和疾病的丰富信息。本文介绍了一种硬币大小、无电池的贴片，可贴附于皮肤并无线实时监测湿度。通过对贴片内部用于从附近读写器收集能量的“铜环”进行精心重新设计，研究者展示了在不牺牲舒适性、安全性或可靠性的前提下，如何缩小可穿戴健康传感器的体积。

小贴片，大抱负

该工作的核心是一种厚约1毫米、直径约1.8厘米的薄型柔性湿度传感器。它轻柔贴合于皮肤，并使用近场通信与附近设备通信——这与手机近场支付的基本技术相同。贴片不使用笨重电池，而是从外部天线无线汲取能量，并回传有关皮肤湿润或干燥程度的数据。底部的金电极直接接触皮肤，通过其梳状指状电极之间电阻的变化来感测湿度。

空中取电

要让如此小的设备可靠工作，关键在于其铜环或线圈的性能，线圈负责捕获入射射频能量并承担无线数据的收发。线圈变小通常意味着信号变弱、通信范围缩短。团队系统性地测试了不同直径的线圈——18、27 和 36 毫米——并研究了在贴片弯曲、扭曲或远离读写器时各自的功率接收能力和维持谐振频率的稳定性。出人意料的是，最小的18毫米线圈提供了最佳平衡：它保持了强磁耦合、展现出清晰的谐振特征，并且在弯曲以贴合手腕曲线时仍能提供足够功率实现流畅通信。

为弯曲、透气与遇水而生

舒适性与耐用性与电子性能同样重要。为了让贴片在身体上感觉自然，研究者将其封装在一种称为 PDMS 的柔软硅橡胶中，并对该层进行多孔化处理。通过在液态硅胶中混入水和酒精生成这些孔隙；在固化过程中液滴挥发，留下微小空洞。详细成像和力学测试表明，多孔薄膜更具柔韧性，更易拉伸和扭转，并且比实心硅胶允许大约两倍的水蒸气通过。这意味着皮肤在贴片下可以“呼吸”，减少汗液堆积和刺激，同时仍能在保护电子元件的情况下保持干燥——即便整块设备被浸没在水中，电子装置也能保持功能。

在日常生活中追踪皮肤湿度

为评估系统在真实环境中的表现，志愿者将贴片佩戴在手腕上，并用外部天线轻触以读取数据。在受控测试中，放置在感测区域上的微小水滴导致信号逐步上升，贴片能追踪一滴水在约十分钟内逐渐蒸发的过程，模拟皮肤的自然失水情况。在为期一周的日常使用中，洗澡前后的读数稳定显示出洗澡后湿度的明显上升，且贴片在多次接触水后仍保持工作。不同温度下的额外测试表明，虽然电子本身基本不受环境变化影响，但当贴片接触皮肤且环境变热时，读数会随出汗增加而上升。

对未来可穿戴设备的意义

综合来看，这项研究表明，经过仔细设计的线圈和透气封装可以实现一种极小且无电池的贴片，在移动、出汗甚至浸水的皮肤上仍能可靠工作。对非专业读者来说，核心信息是：研究团队解决了微型可穿戴设备的关键供电问题，同时使其足够舒适以适合长期佩戴。这一方法有望为日常皮肤贴装设备铺路，使其在无需插电或充电的情况下，安静地监测水合状态、指导运动后恢复或支持慢性病患者的护理。

引用: Kim, J., Kim, S., Yeo, C. et al. Miniaturized flexible skin moisture sensor with optimized coil for enhanced wireless power efficiency. Sci Rep 16, 8114 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38764-5

关键词: 可穿戴传感器, 皮肤水分, 无线供电, NFC 贴片, 多孔 PDMS