技术成果

高稳定性酶纳米胶囊传感器

酶是一类极为重要的生物催化剂，具有显著的选择性和特异性。酶生物传感器是将酶作为生 物敏感基元，通过捕捉目标物与酶之间反应所产生的信号，实现对目标物定量测定的微型化检测 仪器。但由于酶对外界环境例如温度、溶剂、pH 值等高度敏感，且酶的保质期很短，因此限制了酶 生物传感器的更广泛应用。 我们首创了高稳定性酶单分子纳米胶囊传感器，在提高酶传感器存储 寿命和稳定性（耐高温、耐有机溶剂、耐酸碱）等核心技术方面取得重大突破。作为颠覆性技术可满 足人体可穿戴设备、环境监测、医疗等不同应用场景的技术需求（专利：PCT/CN2019/083332； 201910153430X；201911245173.9）。

柔性化、微型化储能器件及其集成系统研发

可穿戴和便携式电子产品的快速发展，极大的促进了现代社会对高能量密度、轻量便携化、柔 性化储能器件的需求。本项目中利用自主研发的 MXene基高性能、多功能油墨，通过丝网印刷技 术构筑微型超级电容器、锂离子微型电池及压力传感器，并与柔性太阳电池进行功能集成，成功实 现了柔性光电-储-用一体化微系统的构建。同时，开发的双功能二维介孔材料成功用于微能源存 储及氨气监测，实现了自驱动、集成化气体传感微系统的构筑。从柔性微电极制备、高离子电导率 电解质开发、器件组装等几个方面成功开发出柔性化、平面型钠离子微型电池，研制出可高温稳定 工作的微型电池。目前，这些技术正在申请多项中国发明专利。 技术指标：可弯曲且对比容量基本无影响；器件形状、大小可调控；可在宽温区（-40-100 °C）条件下稳定工作；可实现多个器件的模块化集成以及功能性微系统的构筑，无需外加电源可 自驱动传感器；可适于规模化生产。从材料的制备及器件的工艺组装均具有原始创新性，具备自 主知识产权，技术成果达到了国际先进水平。 应用领域：在轻量便携化、可穿戴式、可植入式电子产品等方面均具有很好的应用前景。

柔性钙钛矿电池

钙钛矿电池作为光伏领域的新型薄膜电池，在短短几年内，其效率已达到22.7%，获得了国内 外的广泛关注。并且凭借轻质、柔性、弱光敏感以及可多种技术加工的方法实现大面积制备等优点 迅速崛起，在日常生活、高新技术、国防军工等各个领域都显现出广泛的应用前景，尤其是便携式、 柔性及消费电子领域，如帐篷、背包、光伏建筑一体化以及飞艇、野外装备等军民融合领域，已初步 具备了商业化的潜力。本组与陕西师范大学合作，共同研发出具有自主知识产权制备钙钛矿薄膜 的新方法（柔性真空交替沉积法、真空双无机前驱体共蒸发法等）。获得如下成果：1.使平面型电 池效率（美国Newport认证效率）大幅提升至21.5%，是该类型电池的世界最高效率，而且电池在 大气环境放置两年后效率仍然高达17.85%。2.在室温条件下，制备的柔性钙钛矿电池，2015年电 池效率达到15.07%，突破了当时的世界纪录，通过改进界面修饰，研制的平面型钙钛矿电池效率 达到19.6%以上，柔性电池效率达到18.4%，再次突破当时的国际最高效率。3.发展了升温析晶 法快速制备大尺寸钙钛矿单晶及切割方法，在短时间内获得大尺寸优质单晶体。并制备出超低缺 陷态密度和高载流子寿命的超大单晶体（>120 mm）。4.创建了高性能大尺寸钙钛矿单晶制备、单 晶薄片及光电器件制备技术。创建了厚度和形状可控的直接生长大面积超薄钙钛矿单晶片方法。5. 通过开发新技术获得了优良稳定性的大尺寸钙钛矿单晶。首次制备了钙钛矿单晶光电器件，光探 测响应速度较微晶薄膜器件提高了 200 倍，且稳定性得到了显著提高。目前本组结合产业化的需 求，主要致力于在PET衬底上大面积（宽度16cm，长度20m）柔性钙钛矿电池的开发研究。

微型锂氟化石墨烯电池

电子元器件技术发展很快，而且越来越趋于数值化、智能化、小微化、一体化，需要有高能量密 度、高安全性、长寿命的微型电池。锂氟化石墨烯电池，正极为氟化石墨烯材料，负极为金属锂，是 目前性能最佳的一次电池体系，锂氟化石墨烯体系的理论能量密度达到2180wh/kg。是目前一次 电池中能量密度最大的体系。 大连化物所研制的锂/氟化石墨烯微型电池，具有以下优势： 1、尺寸最小的铝壳圆柱一次电池，最小直径2mm，高6mm； 2、能量密度高，比锂锰电池能量密度高50%以上； 3、自放电低（≤ 1%/年）； 4、工作温度范围宽，可满足‒40~80 ℃ 的使用要求； 5、储存寿命长（> 10 年） 。 可应用于可穿戴消费电子器件（wearable consumer electronics）、网络电子器件（IoT）、 医疗监测治疗器件（medical monitoring & treatment）、传感、自然生态环境遥控监测和评估 (environmental remote tracking & evaluation)等。

柔性相变材料膜

相变储能材料能够在恒定温度下吸收和释放大量潜热，可作为一种高效热能储存与温度控制 介质广泛应用于电子器件热管理领域。然而，传统相变储能材料一般利用其固液相变行为进行储 能与控温，固相材料因刚性大而不具备柔性，液相材料在相变过程中会发生泄漏，无法应用于柔性 可穿戴器件热管理。 为解决这些问题，通过化学聚合的方法获得了一种柔性相变储能材料膜。该相变材料膜具备 表观的固-固相变特性，相变焓和相变温度在5-60°C温度范围内可调，冷热循环1000次后仍然 表现出稳定的相变性能。更重要的是，该相变材料膜表现出优异的本征柔韧性，可折叠或裁剪成任 何形状，可制备大尺寸膜，为大规模制备柔性相变材料膜提供了可能。该相变材料膜可与开发的柔 性石墨烯膜集成得到柔性热管理器件，可在不同温度、光照及电加热情况下表现出优异的温度控 制、光热转化及电热转化性能，最高电- 热转换效率可达94%；进一步将大尺寸柔性热管理器件 缝制到衣服上，在人体弯曲动作中该柔性器件仍然保持稳定的热管理性能，可在开发下一代柔性 可穿戴热管理器件方面具有重要的应用前景。 本成果已申请多项国家发明专利。

高灵敏新型石墨烯的可穿戴传感器

摘要待完善

高效个体冷却技术及系统

在高温环境下工作人员由于热应激效应导致体能消耗过快 而使得作业能力下降甚至出现生命危险，为此近年来国内外在个 体冷却方面做了大量的研究工作。我国在这方面的研究工作起步 较晚，但也取得了一定的进展并研制出多种形式的冷却装置，多 用于航空航天、军用等领域，而医用和民用相对较少。目前主要 存在设备笨重，制冷效率不高，无法持续制冷等问题。 本项目攻克了制冷机微型且高效的关键技术难题，开发出可 穿戴式个体冷却装置系统，具有重量轻、体积小、效率高等优势 （仅重2.75kg，制冷量240W）。在单位重量制冷量（W/kg）、单 位体积制冷量（W/L）等关键综合技术指标上，均超过国内外已 报道的最好水平。该装置系统在军机、坦克、装甲车等高温作业 环境下人员个体冷却以及军用电子设备高效冷却等领域具有广 阔的应用前景，同时在在可穿戴设备、医用便携式冰箱和降温装 置、太阳能制冷等民用领域也有巨大应用潜力。 — 21 — 技术描述： 微型高效紧凑式换热器是微型制冷机的核心技术之一，本项 目研发出的型微通道板翅式换热器，与传统散热器相比，大大提 高了传热面积密度，解决了微型制冷机高效散热的难题，从而实 现了制冷机的微型化、轻量化。此外，本项目研发出的微型蒸气 压缩式制冷装置等技术也都处于国际领先和先进水平。 技术状态: 该项目研发的个体冷却装置已列装我军陆航、海军、空军等 部队，累计交付 500 多套，并出口近百套。成功解决了我军直升 机、舰艇等重要大型军事装备长期悬而未决的高温实战环境下作 战人员的个体热防护难题，并获得国防技术发明二等奖。 — 22 — 知识产权： 已获国家发明专利 1 项。

穿戴式下肢外骨骼康复机器人装备系统

目前我国肢体残疾患者有 2400 多万人，而每年仅对不到 40 万肢体残疾患者实施康复训练，康复装备供应与临床需求存在巨 大缺口。目前以色列、日本、美国、瑞士均有此类康复产品，但 多为个人定制型产品，仅适用于单人助行使用，无姿态重塑效果， 康复效果差、恢复时间长。 该项目开发出一种带有智能助力、可穿戴在行走障碍患者下 肢进行康复训练或行走助力的机器人设备，主要应用于下肢康复 领域，可以实现全支撑真实行走训练方式和在线姿态反馈实时智 能引导的全闭环人机交互训练模式，能为各种状态（不同损伤及 恢复体况）的患者进行准确合理助力、提供正确步态引导的真实 行走式康复训练，使患者运动机能得到更快更好恢复，高效提升 行走能力。作为国内首个治疗改善下肢运动障碍的特效智能机器 人系统，该产品改变了传统一对一人工或半机械康复训练治疗模 式，为患者提供一种广泛适用的下肢康复训练科学手段，极大提 升了我国康复学科的技术水平和先进性。 — 17 — 技术描述： 该产品通过步态检测分析系统及足底压力检测分析系统对 患者进行下肢运动能力评估分析，结合智能病案收集及康复患者 管理系统为患者定制康复训练计划。根据患者训练计划，通过相 应类型外骨骼机器人进行康复训练，训练中通过检测分析系统对 患者不断进行再评估分析，逐步优化康复训练方案，直至患者恢 复直立行走。 该项目所研发的外骨骼机器人，可以根据患者体型和康复计 划进行相应调整，其髋关节到膝关节距离可调节范围为 385mm—475mm，膝关节高踝关节距离可调范围为 415mm—495mm， 步速可调范围为 2.45s/步—5.25s/步，步态周期调整范围为 2s-5.25s，步态跟踪误差小于等于 1°。 技术状态: 目前研发团队已经开发出适合不同应用场景的多款产品，目 前为止已经完成了 600 多例临床试验和治疗。此项目在 2016 年 9 月份，获得“最佳创新数字医疗器械奖”，获批成为首例北京市 — 18 — 创新医疗器械产品；2016 年 10 月份，获得“2016 年度中国‘双 创’25 强”；2017 年 5 月份，获得由中国政府和英国皇室联合

室内智能位置与姿态检测系统

针对老年人与护理人员存在严重的数量差异，难以匹配，一对多 护理模式难以确保医疗机构护理服务质量，以及视频监控的方式掌握 患者的护理情况存在个人隐私泄露、数据流量庞大、存在监控盲区、 人力成本高昂等痛点问题，本项目采用低成本、小流量可随时随地掌 握护理情况的解决方案，即更便宜：MEMS 可穿戴传感器，更安全： 无需图像采集保护个人隐私，更快捷：数据流量小方便分析上传，实 现室内精确定位、护理情况监控、紧急救护报警等主要功能。 （三）关键技术 主要的关键技术有两项： 一是姿态识别方法：通过采用一种基于深度神经网络的方法对人 体的骨骼关键点姿态进行识别。 图 1. 关键技术之一：姿态识别 — 366 — 二是惯性导航技术：通过 IMU（惯性测量单元）进行人的初始位 置、初始方向、姿态等计算，实现精确室内定位和姿态检测的数据支 撑。 图 2. 关键技术之二：惯性导航 技术成熟度： □概念验证 □√原理样机 □工程样机 □中试 □产业化 合作方式： □√联合研发 □√技术入股 □√转让 □√授权（许可） □√面议 — 367 — 应用于 5G/6G 的高性能无线通信器件及

单兵便携式 4G 侦码设备

单兵便携式 4G 移动侦码设备是一种主动式手机侦码设备，其基 于无线通信基站和无线网络工作原理，采用 OFDMA 技术方案，产品 具有体积小、功耗低、易隐藏、易操作等技术优势。其设备主体仅有 一部智能手机大小，具有便携性高、隐蔽性强、操作简单的特点。可 广泛应用于国安、公安、保密、军队等有关部门，是一种能够广泛应 用于一线搜捕、跟踪、采集人员的便携式单兵侦码设备。 — 60 — （三）关键技术 1.多模同频同步问题，在不同运营商和不同时空环境下，采用同 频工作时，修正同步至运营商相应频段和所广播的频点； 2.多人协同作战的应用场景下的抓捕效率，设备数据共享，大规 模并发数据存储和实时分析； 技术成熟度： □概念验证 □原理样机 □工程样机 中试 □产业化 合作方式： □联合研发 技术入股 □转让 授权（许可）面议 — 61 —

中高压 SiC 大功率器件研制及产业化

本项目主要针对1200V等级系列SiC高压大功率器件芯片技术展 开研究。碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体大功率电力电子器件 是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一，已经成为增 长潜力巨大的战略性产业 （三）关键技术 本项目主要研究内容：主要实现 1200V 系列产品典型系列产品 的产业转化。目标产品为 SiC 器件产品。主要包括 650V 系列产品、 1200V 系列产品。重点开拓领域包括新能源汽车领域充电桩、工业电 机与消费电子领域。本项目产品为 SiC 器件产品。主要包括 650V 系 列产品、1200V 系列产品。重点开拓领域包括新能源汽车领域、工业 电机与消费电子领域。 （1）650V 系列产品 — 35 — 国内白色家电市场巨大，白色家电广泛需要 PFC 模块，这就给 SiC 器件在低压范围内的应用创造了良好的条件。当前，相关企业已 着手在自己的 IPM 模块中导入 SiC 器件，用以提升自家产品的散热性 能。 团队具备成熟的器件设计及制备技术，对于 650V 系列产品有着 深厚的技术功底与产品经验。 （2）1200V 系列产品 未来 5 到 10 年内汽车领域的 SiC 应用最具发展前景。若在主逆 变器中采用 SiC，则 2019~2023 年期间的市场复合年均增长率将达到 108%。 团队具备成熟的技术工艺，对于不同领域的碳化硅器件制备及应 用，主要工作在于针对其特定要求，在核心技术基础上进行调试和定 型，不存在实质技术性障碍。出于市场方面的考虑，中期将聚焦于新 能源汽车应用市场，并根据产业化进程逐步向工业电机、充电桩等具 备成熟可观市场前景的领域拓展。 技术成熟度： □概念验证 □原理样机 □工程样机 □中试 产业化 合作方式： □联合研发 □技术入股 □转让 □授权（许可） 面议 — 36 —

适配资源约束平台的目标智能识别与跟踪技术研究

本项目针对重要的军事单位应对突发袭击时防御体系智能化、自主性较低的 问题，在恶劣气候、光照变化、目标遮挡等复杂战场环境下开展云端协同的目标 智能识别与追踪技术研究。以集成分布式云网络作为计算和信息交流平台，可高 效处理采集的感知信息；开展了云网络与智能终端协同技术，可保证智能终端的 作战效能；研究了基于人工智能的目标识别与跟踪技术，借由传感器信息对获取 图像进行不同方法的预处理，获取更为清晰的目标信息，以卷积神经网络为基础 构建了目标识别网络，实现了对人、小型无人机、坦克装甲车辆的高精度识别， 并构建了深度学习的目标动作识别网络，可对不同人的动作进行分类，为协同作 战提供有效、精细的信息，以孪生网络构建了目标跟踪网络，可实现对可疑目标 的准确跟踪。从而构建了无中心云网络和智能智能终端的分布式协同系统，提升 复杂场景下战场信息的自主智能感知能力，实现对装甲坦克车辆、人、低空小型 飞行器等战场目标的自主识别与跟踪，完成多智能终端作战策略的自主决策与协 同，提高陆军防御系统的信息化与智能化水平。申请发明专利 4项，软著授权3 项，发表高水平论文 12篇。

先进传感材料与器件制造

工业4.0物联时代，传感器肩负重任，工业互联网将依靠智能的机器加上先进的分析工具，实现通信、计算、控制的三位一体。这其中，传感器是数据采集的入口，是物联网的神经末梢。半导体气体传感器当前已在环境污染监测、爆炸物检测、国家安防等领域得到了初步应用。这类传感器一般需要在高温工作，能耗高，长时间探测易使设备老化，可靠性差，难以便携。发展柔性低功耗传感器技术，有望在上述领域推动传感器工作模式的革新发展，并拓展其在可穿戴器件、人体健康监测、动力电池安全监控分析等新型领域的应用。本项目一方面利用自研的具备国际领先水平的高性能气体传感材料，推广其在国内外高校、科研院所与企业的应用；一方面，借助微电子打印与 3D 打印技术，研发出新型的柔性传感器芯片，推出高通量传感器制备技术与联网数据采集方法，将之用于锂离子动力电池安全联网监控、人类高危疾病的快速筛查监测等国内研制初级领域，率先建立相关行业标准与占据市场高地。通过本项目的实施，有望在柔性电子传感器芯片领域及其在新能源汽车、大健康等应用场景提供成熟服务方案。

可穿戴生物医疗系统

随着物联网、人工智能、大数据的广泛应用及柔性电子技术的进步，可穿戴生物医疗得到了快速的发展。同时，人们对于健康的需求也日益增加。如何实现对个人生理健康的实时监测，变得尤为重要。团队通过研发，已取得一定基础： 1.柔性可穿戴心电ECG信号实时检测系统 （1）设计了基于有机聚合物材料的柔性心电电极； （2）基于CMOS工艺的低噪声、低功耗模拟前端电路芯片； （3）基于小波阈值算法及支持向量机（SVM）的信号处理及特征训练模块； （4）基于STM32处理芯片的传感器系统设计； （5）基于柔性印刷电路板（PCB）的系统实现。 2.可穿戴多生理信号实时检测系统 （1）搭建并验证了人体体温、血氧、心率、呼吸、血压等多生理信号模块电路； （2）血压测量有基于袖套充气阻断动脉血流的示波法和基于光电二极管的光电容积脉搏波描记法（PPG）两种实现方式。

室内定位技术

人的大多数活动是在室内，对大型室内场馆或商业及工作场景存在室内定位的巨大需求，但因为室内缺乏卫星信号，需要采用新型的终端定位技术。课题组利用智能手机上集成的WiFi、惯导、加速度传感器、磁力计等多传感器，进行数据融合与挖掘，构建室内无线信号地图，将其与室内布局地图相结合，能够实现移动设备（人手持智能终端）、移动机器人设备在室内的定位、寻迹、跟踪算法，构建了无线信号采集、无线地图生成、众包数据库建立与更新、定位匹配算法、轨迹学习算法等一系列系统模块，并在西安交通大学多处教室、楼宇，百货商场与写字楼进行了实地测试，定位性能在自建指纹库下可达1.5-3米左右的精度，无专门采集的众包条件下达到3-5米精度，且能够绘制连续的用户运行轨迹。此外，还将该技术反向延伸到发射机定位，实现干扰源测定与无线安全。将类似思路扩展到室外场景，结合射线跟踪算法、深度学习、强化学习算法，可以构建室外条件下的无线信号分布地图，通过对无线信号在特征空间的匹配，可在室外条件下实现对行人、车辆等的定位、轨迹跟踪与预测，与GPS、北斗等卫星定位手段互为补充。通过前期在室内定位技术方面的研究，课题组已经建立起相应的数据采集平台软件、管理中心数据库、定位算法核心库等完整的室内定位软件平台。

可穿戴天线

可穿戴天线在数据无线传输中发挥着重要作用，但可穿戴天线的设计与常规天线有很大的不同。首先是人体对于天线辐射有非常大的散射作用。天线在人体附近会出现增益降低，匹配变差，方向图恶化等现象。其次，柔性可穿戴天线需要在各种物理形变，温度、湿度变化的情况下保持性能的稳定性。另外，人体在长期电磁辐射环境下的安全风险也要在天线设计的同时予以考虑。所有这些问题都给可穿戴天线的设计带来了巨大的挑战。而近年来，电磁超材料的研究取得了长足的进展。作为一种人工合成的材料，超材料可以拥有多种自然界中很少存在、甚至不存在的特性。这些特性给予了天线设计一个新的思路，使设计者在材料选择中有更大的自由度。基于超材料的多种新型天线已经展示出了新颖、优异的性能，如双频、多频工作，尺寸的超小型化，以及各种可重构能力。虽然这些性能对于可穿戴领域有很强的吸引力，但现阶段对于超材料的研究还是主要集中在传统天线领域，在可穿戴领域，基于超材料的天线设计并不多见。基于以上背景，该项目研究一方面，可穿戴领域迫切得需求天线设计的创新理论，另一方面，基于超材料的天线显示出了多种优异的性能。因而，研究思路是将这两个当前最有活力的研究领域结合起来，将电磁超材料的理论引入可穿戴天线设计领域，大幅度的提高可穿戴天线的性能，丰富其功能。图1.几种可穿戴天线设计（左上：一种双频纺织天线被ElectronicsLetters选为彩色特征文章；右上：双频纺织天线的SAR仿真；左中：一种与纽扣集成的可穿戴天线；右中：一种基于人工磁表面的低剖面可穿戴宽带天线；左下：一种空间分集双频天线；右下：一种方向图可重构分集天线）

移动校园 app

移动校园app是一款自主研发的（Android平台）面向高校的学生，旨在为学生提 供本地化的学习、生活等信息并具备一定社交功能的智能手机应用程序，尤其在交互方面，采用用 户界面模式进行可用性优化，达到学生与APP的简单交互。其主要实现三大模块功能：信息发布、 论坛交流和生活服务。信息发布包含学校的官方通知、课程信息、成绩查询、学校社团活动等与学 生切身相关的信息；论坛交流打造校园朋友圈，方便各院系的，不同层次的学生交流沟通。营造和 谐互补共进的良好局面。为学生交流搭建沟通平台；生活服务涵盖宿舍物资保修、周边饮食景点信 息等生活服务。 本系统采用模式库来开发用户界面。模式库是可用的模式集合，而模式是一种被证实的解决方 案和设计实践。实现者根据用户需求查找模式库里的模式，然后根据需要选择合适的模式，可以直 接实现用户界面。使用模式库来进行界面开发，不仅可以直接将已存在的模式直接使用，加快开发 的进程，而且使APP在界面风格上和界面认知上统一，使学生在APP使用上无二义。因此，使用模 式库开发的APP较其他的APP用户界面可用性和用户友好度有了很大的提高。