Nano Energy :仿生魚振動感受器的摩擦電振動傳感器可在任意普通平面上構建智能人機交互界面

【前言】

隨著人工智能的飛速發展，各種人機交互界面引起了科學家們的關注。基于磁、電、力學、光學等各種原理的傳感器已被開發出來，用于構建交互界面。目前，智能系統的交互性以多種方式實現，如集成在手表、服裝、腕帶、鍵盤、麥克風、觸摸屏等設備上的可穿戴式、可移動式、和可植入式界面。雖然許多基于各種先進材料和原理的方案已經被開發出來用來提高人機界面在靈活性、延展性和靈敏度方面的性能，但它仍然受限于有限的傳感面積、高昂的價格、不可移動性和高功耗。此外，作為交互系統不可或缺的組成部分，人機界面是唯一的信息輸入和控制手段，用于信息記錄和輸出、財務管理、賬單支付、個人通信等。在這方面，現有的人機交互界面在個人敏感信息方面仍然存在較大的風險。例如，目前基于聲學的人機界面容易被竊聽，并且對環境噪聲敏感。基于鍵盤和觸摸屏的人機界面也受到密碼泄露的威脅，這就要求開發一種有效的、安全的人機交互界面。

【成果簡介】

近日，重慶大學楊進教授團隊報道了一種基于振動傳感器的構建于任意平面的人機交互界面。將摩擦電振動傳感器安裝在門、墻、表等常見的普通表面上，通過時差估計來定位振動源，可將普通表面轉化為多功能的交互界面。為了準確感知表面的微小振動，仿生魚體側線上對振動敏感的結構，構建了多層互鎖結構的傳感器，實現了0.97 V /N的高靈敏度, 從1到3kHz寬的頻率范圍,和0.01N的最低檢測極限。基于此人機交互界面，實現了在普通表面上構建了虛擬鍵盤，依據人體敲擊鍵盤生理特征實現了用戶身份識別。另外實現了將普通表面，如桌面，墻面等轉換成智能化人機交互界面，實現智能家居控制等應用。此基于摩擦電振動傳感器的人機界面可以廣泛應用于便攜式計算機外圍設備、計算機安全和智能家居系統的各種應用中。相關成果以“Triboelectric Vibration Sensor for a Human-Machine Interface Built on Ubiquitous Surfaces”為題發表在Nano Energy上。

【圖文簡介】

圖1?摩擦電振動傳感器的結構設計及工作原理

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(a)魚體側線中的振動接收器

(b)摩擦電振動傳感器結構示意圖

(c)摩擦電振動傳感器照片

(d)摩擦電振動傳感器制作流程

(e) 多孔PDMS的光學顯微圖

(f)PE納米線陣列的SEM圖

(g)工作狀態的摩擦電振動傳感器

(h) 摩擦電振動傳感器工作原理

(i)工作過程中摩擦電振動傳感器的仿真二維電勢分布

圖2?摩擦電振動傳感器電學特性測試

(a) 摩擦電振動傳感器的力學靈敏度

(b)輸出電壓與頻率的關系

(c) 10萬次周期負載下摩擦電振動傳感器的輸出電壓

(d)摩擦電振動傳感器接收的振動波形

(e) 動量0.4 kg m/s下摩擦電振動傳感器的輸出波形

(f)輸出波形的短時傅里葉變換

(g)不同測試距離下電壓幅值與動量的擬合曲線

(h) 摩擦電振動傳感器輸出電壓幅值與測試距離的關系

(i)電壓歸一化峰值響應方向圖

圖3基于摩擦電振動傳感器的智能虛擬數字鍵盤

(a) COMSOL定位原理仿真

(b) 摩擦電振動傳感器的仿真振動信號

(c)放大的信號波形

(d)虛擬鍵盤示意圖

(e)當敲擊按鍵1時，三個摩擦電振動傳感器獲得的振動信號

(f)所得信號的互相關函數

(g)構建與木板上的智能虛擬數字鍵盤

(h) TVSs在輸入513976時獲得的信號

(i)每一個按鍵的識別準確性

圖4 基于摩擦電振動傳感器的虛擬數字鍵盤身份識別系統

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(a)身份識別系統框圖

(b)按六次按鍵的波形

(c)信號的頻譜

(d)歸一化擊鍵特征

(e)身份識別登錄系統

(f)輸入761284時，4個不同輸入者的信號

(g)構建于木板上的智能虛擬數字鍵盤

圖5多功能桌面交互系統

(a)多功能桌面交互系統框圖

(b)微控制器及藍牙模塊照片

(c)智能桌面交互系統的整體布局

(d)當敲擊區域1時，3個摩擦電振動傳感器獲得的信號

(e)多功能桌面交互系統照片

(f)區域識別準確度

【總結】

綜上所述，本文為了實現便捷的人機交互，提出了一種基于振動的智能交互界面。通過任意表面上的物理振動進行傳感，極大地擴大了交互區域面積。本文提出的摩擦電振動傳感器模擬了魚的側線感受器，具有0.97 V/N的高靈敏度，和0.01 N的檢測極限，能夠感知非常細微的振動。本研究開發了一種基于摩擦電振動傳感器的智能數字虛擬鍵盤和一種可定制的多功能桌面交互系統，可用于交互輸入、身份識別和智能家居等。本文提出的基于摩擦電振動傳感器的人機交互界面在便攜式計算機外設、網絡安全和人機交互等方面具有廣泛的應用前景。

文獻鏈接：Triboelectric Vibration Sensor for a Human-Machine Interface Built on Ubiquitous Surfaces?(Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.005)

本文由重慶大學楊進教授團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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