基于柔性可穿戴設(shè)備的人機(jī)交互界面作為人體與設(shè)備之間的橋梁，能夠?qū)⑷梭w各種動作指令轉(zhuǎn)換成設(shè)備可識別的電信號，因而得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。在人機(jī)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(shè)備往往側(cè)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(dāng)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(xué)周秉璞研究團(tuán)隊與五邑大學(xué)羅建義教授團(tuán)隊提出了一種基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象、可識別手指滑動方向的可穿戴柔性人機(jī)交互界面。通過設(shè)計軸向（水平）磁化的柔性微柱陣列，手指滑動壓力可實現(xiàn)微柱陣列向不同方向偏轉(zhuǎn)時，底部柔性線圈中感應(yīng)到的磁通量正負(fù)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(qū)分的電信號，因此有望在多模態(tài)人機(jī)交互、智能控制等場合發(fā)揮作用。相關(guān)研究成果以《--利用傳感器實現(xiàn)自我和高人機(jī)交互》為題發(fā)表在Nano雜志上。文章第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)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(xué)技術(shù)發(fā)展基金（0088/2021/A2、0026/2020/AGJ）的支持。
圖1 基于電磁感應(yīng)的柔性交互界面工作原理示意圖。
人機(jī)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(dāng)施加水平應(yīng)力時，微柱會發(fā)生彎曲變形，穿過下方線圈的磁通量將發(fā)生變化；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)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(yīng)電動勢的波形也將完全相反。通過線圈中感應(yīng)電動勢符號的差異，可以識別手指“掃”的方向，從而實現(xiàn)不同場合的人機(jī)交互應(yīng)用。
圖2 人機(jī)交互界面多維表征與性能優(yōu)化。(a)人機(jī)交互界面的可穿戴與形態(tài)展示。(b)交互界面整體性能優(yōu)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(yīng)電動勢對比。
柔韌性和可穿戴性是考慮人機(jī)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(gòu)成，因此表現(xiàn)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(yīng)性能和形變能力，作者進(jìn)行了一系列優(yōu)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(shè)計賦予了這種界面區(qū)分方向的能力。作者進(jìn)一步比較了不同磁化方式的微柱陣列的響應(yīng)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?qū)Ψ较虮鎰e能力及人機(jī)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(zhuǎn)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(xù)的電路信號處理中獲得更多的可能性。
圖3 人機(jī)交互應(yīng)用演示。（a）基于滑動方向的移動翻頁器。（b）在水下仍能穩(wěn)定運行的摩爾斯電碼。（c）鉛球游戲界面。
經(jīng)過后續(xù)電路的濾波、放大和傳輸，即可針對不同的場合設(shè)計出相應(yīng)功能的人機(jī)交互界面。圖3a是基于滑動方向的手機(jī)翻頁器，當(dāng)手指向不同方向滑動時，線圈中感應(yīng)電動勢的符號將完全相反，經(jīng)過后續(xù)電路處理，即可方便直觀地實現(xiàn)手機(jī)翻頁功能。此外，磁場的變化不易受到周圍環(huán)境溫度、濕度的影響，穩(wěn)定性好。通過定義不同的感應(yīng)電動勢，可實現(xiàn)在水下仍能穩(wěn)定工作的摩爾斯電碼系統(tǒng)（圖3b）。在滑動過程中，柔性微柱的變形和恢復(fù)會在線圈中感應(yīng)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(fā)了鉛球游戲。 游戲過程中，當(dāng)立柱發(fā)生形變時，游戲角色開始積蓄動力，并根據(jù)電動勢的符號選擇鉛球的投擲方向；當(dāng)用戶松開立柱，使立柱恢復(fù)到初始狀態(tài)時，游戲角色進(jìn)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(tǒng)的優(yōu)化，作者展示了該接口在自供電響應(yīng)與穩(wěn)定性、方向識別等方面的優(yōu)勢，以及在人機(jī)交互中的應(yīng)用潛力。
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