測(cè)量物體之間施加的力是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，雖然聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作并不容易。任何兩個(gè)接觸在一起的物體都會(huì)相互施加一定的力，這可能是由于重力作用或者是機(jī)械接觸，例如物體對(duì)平臺(tái)的重量或者兩個(gè)骨骼在人類(lèi)膝關(guān)節(jié)處的接觸。

為了更有效和便捷地進(jìn)行這種力的測(cè)量，加州大學(xué)圣迭戈分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種電子"貼紙"來(lái)協(xié)助測(cè)量這些現(xiàn)象。

這些力量貼紙是無(wú)線的，無(wú)需電池，而且可以適應(yīng)狹小的空間，因此適用于各種行業(yè)的多種應(yīng)用。根據(jù)工程師的說(shuō)法，這種裝置可以用于膝關(guān)節(jié)植入，用以定量測(cè)量植入物對(duì)關(guān)節(jié)所施加的壓力。監(jiān)測(cè)這些力的變化對(duì)于評(píng)估植入物的適合性和磨損情況非常關(guān)鍵。

加州大學(xué)圣迭戈分校工程學(xué)院教授Dinesh Bharadia在學(xué)校的一份聲明中表示：“人類(lèi)天生擁有感知力量的內(nèi)在能力。這賦予我們與周?chē)h(huán)境無(wú)縫互動(dòng)的能力，也讓臨床醫(yī)生能夠進(jìn)行精細(xì)的外科手術(shù)。將這種感知力量的能力引入電子設(shè)備和醫(yī)療植入物領(lǐng)域可能會(huì)對(duì)許多行業(yè)帶來(lái)革命性的變革?！?/p>

這些力量貼紙由兩個(gè)主要部分組成。首先是一種幾毫米厚、尺寸與米粒相當(dāng)?shù)男⌒碗娙萜鳌Ａ硪粋€(gè)組件是射頻識(shí)別（RFID）貼紙，類(lèi)似于條形碼，可以通過(guò)無(wú)線電波無(wú)線讀取。研究人員采用創(chuàng)新的方法將這兩個(gè)組件連接起來(lái)，用于測(cè)量物體所受的力，并將這些信息無(wú)線傳輸?shù)絉FID讀卡器。

在電容器的兩個(gè)導(dǎo)電銅條之間放置了一層柔軟的聚合物薄片，形成了電容器。當(dāng)外部力作用于聚合物上時(shí)，聚合物會(huì)被壓縮，導(dǎo)致銅條靠近，從而增加電容器內(nèi)的電荷。

研究人員指出，由于施加的力導(dǎo)致電荷增加，這對(duì)于改變RFID標(biāo)簽所產(chǎn)生的信號(hào)變化非常重要。RFID讀卡器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)這些變化，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的力量數(shù)值。這種改變RFID信號(hào)的方法允許力量貼紙內(nèi)的組件變得非常小，相比之前用于改變RFID信號(hào)的方法，其尺寸減小了一千倍。

與此同時(shí)，RFID貼紙通過(guò)一種稱為反向散射的機(jī)制傳輸無(wú)線電信號(hào)，功耗非常低。它接收來(lái)自RFID讀卡器的無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)電容器引起的電荷變化對(duì)信號(hào)進(jìn)行改變，然后將已改變的信號(hào)返回給讀卡器，讀卡器對(duì)其進(jìn)行解析，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的力量數(shù)值。因此，這種力量貼紙的能耗非常低。

另一個(gè)設(shè)計(jì)方面是電容器可以根據(jù)不同的力范圍進(jìn)行定制。通過(guò)更換柔軟或堅(jiān)硬的聚合物層，可以調(diào)整電容器以監(jiān)測(cè)不同范圍內(nèi)的壓力。

在研究中，研究人員創(chuàng)建和測(cè)試了兩種類(lèi)型的力量貼紙以驗(yàn)證其可行性。一種力量貼紙的電容器由極軟的聚合物制成，用于監(jiān)測(cè)微小的力量，適用于模擬膝關(guān)節(jié)的研究中。當(dāng)將這種力量貼紙放入關(guān)節(jié)后，研究人員施加壓力時(shí)，它能夠精確檢測(cè)到不同的力量。第二種力量貼紙具有較堅(jiān)硬的聚合物電容器，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)在倉(cāng)庫(kù)包裝領(lǐng)域進(jìn)行了評(píng)估。它被粘貼在盒子的底部，可以準(zhǔn)確評(píng)估放在盒子內(nèi)的各種物品的重量。

據(jù)團(tuán)隊(duì)表示，在測(cè)試中，這些力量貼紙表現(xiàn)得非常堅(jiān)固。它們能夠抵抗超過(guò)10,000次的力的施加，同時(shí)保持準(zhǔn)確性。此外，根據(jù)研究人員的說(shuō)法，它們可以以非常低的成本生產(chǎn)，每張貼紙的成本不到2美元。

然而，這項(xiàng)技術(shù)也有其局限性，科學(xué)家指出這些力量貼紙只能在靜態(tài)環(huán)境下正常工作，不適用于高度動(dòng)態(tài)的情況。

電子與計(jì)算機(jī)工程博士生和研究的合著者Agrim Gupta表示：“如果我們能夠商業(yè)化這項(xiàng)技術(shù)，可以想象未來(lái)這些貼紙可以像創(chuàng)口貼一樣廉價(jià)銷(xiāo)售?！?/p>

這項(xiàng)研究的詳細(xì)信息已經(jīng)發(fā)表在ACM。