基于柔性可穿戴設備的人機交互界面作為人體與設備之間的橋梁，能夠將人體各種動作指令轉換成設備可識別的電信號，因而得到了廣泛的關注和應用。在人機交互中，手指點擊（）和滑動（）是兩種常見的操作方式。但早期的柔性傳感設備往往側重于壓力“點擊”的動作，而“滑動”卻很少被提及；再者，多指令交互界面往往依賴于器件的陣列，這無疑會增加整體器件的面積。“點擊”是一種“有向性”的操作，當只使用一個器件而非陣列時，如何識別手指滑動的方向并輸出可識別的信號是必要的前提。
鑒于此電動勢的定義，澳門大學周秉璞研究團隊與五邑大學羅建義教授團隊提出了一種基于電磁感應現象、可識別手指滑動方向的可穿戴柔性人機交互界面。通過設計軸向（水平）磁化的柔性微柱陣列，手指滑動壓力可實現微柱陣列向不同方向偏轉時，底部柔性線圈中感應到的磁通量正負值之差，從而得到完全相反的電壓輸出信號。該傳感器在不同方向的外力刺激下可輸出可區分的電信號，因此有望在多模態人機交互、智能控制等場合發揮作用。相關研究成果以《--利用傳感器實現自我和高人機交互》為題發表在Nano雜志上。文章第一作者為澳門大學應用物理與材料工程研究所博士生丁森。 該工作得到澳門科學技術發展基金（0088/2021/A2、0026/2020/AGJ）的支持。
圖1 基于電磁感應的柔性交互界面工作原理示意圖。
人機交互界面由多個軸向磁化的柔性PDMS/NdFeB微柱和下置的銅線圈組成。如圖1所示，每個軸向磁化的微柱可看作是沿軸向分布磁極的微型柔性磁體。當施加水平應力時，微柱會發生彎曲變形，穿過下方線圈的磁通量將發生變化；根據法拉第電磁感應定律，當微柱向不同方向彎曲變形時，穿過線圈的磁通量變化的符號將完全相反，線圈中感應電動勢的波形也將完全相反。通過線圈中感應電動勢符號的差異，可以識別手指“掃”的方向，從而實現不同場合的人機交互應用。
圖2 人機交互界面多維表征與性能優化。(a)人機交互界面的可穿戴與形態展示。(b)交互界面整體性能優化。(c)不同方向磁化的微柱陣列。(d)不同方向磁化的微柱陣列變形后線圈中感應電動勢對比。
柔韌性和可穿戴性是考慮人機界面實用性的另一個維度。由于整個界面由PDMS、NdFeB顆粒和激光加工后的銅箔構成，因此表現出了良好的柔韌性（圖2a），此外該裝置整體體積小、重量輕，易于穿戴。為了平衡電響應性能和形變能力，作者進行了一系列優化實驗（圖2b），最終確定了一個5×5的陣列，單個微柱半徑為0.25 mm，高度為3 mm，相鄰微柱之間的間距為1 mm。與縱向磁化不同，軸向磁化的設計賦予了這種界面區分方向的能力。作者進一步比較了不同磁化方式的微柱陣列的響應能力，圖2c為不同方向磁化后的微柱陣列形貌特征。 沿縱向磁化的微柱陣列兩端相互排斥，沿軸向磁化的微柱陣列兩端相互吸引。圖2d給出了磁化方向對方向辨別能力及人機交互能力的影響。沿縱向磁化的微柱陣列在不同方向彎曲偏轉時只能輸出一種信號，而沿軸向磁化的微柱陣列可以輸出兩種完全不同的信號電動勢的定義，從而在后續的電路信號處理中獲得更多的可能性。
圖3 人機交互應用演示。（a）基于滑動方向的移動翻頁器。（b）在水下仍能穩定運行的摩爾斯電碼。（c）鉛球游戲界面。
經過后續電路的濾波、放大和傳輸，即可針對不同的場合設計出相應功能的人機交互界面。圖3a是基于滑動方向的手機翻頁器，當手指向不同方向滑動時，線圈中感應電動勢的符號將完全相反，經過后續電路處理，即可方便直觀地實現手機翻頁功能。此外，磁場的變化不易受到周圍環境溫度、濕度的影響，穩定性好。通過定義不同的感應電動勢，可實現在水下仍能穩定工作的摩爾斯電碼系統（圖3b）。在滑動過程中，柔性微柱的變形和恢復會在線圈中感應出兩個符號相反的電動勢，兩個電動勢之間的時間間隔可手動控制（圖3c）。因此，作者還開發了鉛球游戲。 游戲過程中，當立柱發生形變時，游戲角色開始積蓄動力，并根據電動勢的符號選擇鉛球的投擲方向；當用戶松開立柱，使立柱恢復到初始狀態時，游戲角色進行鉛球投擲，整個積蓄時間可手動控制。通過對整個可穿戴系統的優化，作者展示了該接口在自供電響應與穩定性、方向識別等方面的優勢，以及在人機交互中的應用潛力。
原文鏈接：
％
相關進展
原創文章來自 ，歡迎分享、轉發，如需轉載本文請聯系：
歡迎投稿
歡迎專家學者提供稿件（論文、項目介紹、新技術、學術交流、單位動態、會議信息、招聘招生等），請注明詳細聯系方式， ?將及時推送，并同時在中國高分子網發表。
歡迎加入微信群，為滿足聚合物產學研各界同仁的要求，已陸續開通了包括聚合物專家學者群在內的數十個專題交流群，涵蓋聚合物行業技術、企業家、博士、研究生、媒體期刊、展會及協會等，覆蓋整個聚合物行業或領域，目前已匯聚了數萬名來自國內外高校、科研院所、企業研發中心的頂尖專家、學者、技術人員和企業家。
申請入群請先添加評審微信公眾號（或長按下方二維碼），并請務必注明：聚合物+姓名+單位+職稱（或學位）+領域（或行業），否則不予受理。經資格審核合格后，方可進入相關專業群。
觀點