北京納米能源與系統研究所孫其君研究員Nano Energy：基于自驅動光通信的通用型任意觸覺交互系統
引言
隨著電子工程、微機電控制和信息技術的飛速發展，物聯網已經滲透到各行各業。依賴于磁傳感器、電傳感器、機械控制器和光電探測器的人機交互是實現感知、轉換、通信和反饋的主要要素。雖然在提高交互接口的靈敏度、靈活性和耐用性等方面已經取得了大量的成果，但在無線通信接入、降低成本和功耗、降低環境噪聲等方面仍存在很大的挑戰。同時由于解碼技術和黑客技術的迅猛發展，傳統人機交互界面（HMI）系統中網絡/數字認證安全問題日益嚴重。在各種人機交互策略中，光通信能夠以遠距離、無輻射的方式快速、有效地傳輸大量的信息和數據。在物聯網中，分布式光通信器通常以一種全時耗能的方式進行數據傳輸，即使在小容量數據交換和空閑期也是如此。這不可避免地增加了能耗和預防性維護成本。
成果簡介
基于摩擦起電和靜電感應原理，摩擦納米發電機(TENG)使用麥克斯韋位移電流作為驅動力可有效將機械能轉化成電能/電信號；通過將機械能轉化為電能來驅動各種傳感器和控制器，TENG也廣泛用于自驅動傳感技術。此外，它還可以作為HMI系統的自供電傳感器，輔以相應的處理電路，將機械信號轉換成數字觸發信號。TENG在工作過程中，有時不可避免地存在兩個摩擦層不能進行完美接觸分離的問題，由此導致的TENG輸出信號并不是一個單脈沖而是一種不規則的脈沖。導致該問題的原因有以下幾種可能，例如摩擦層或支撐基板在接觸分離時發生振動，摩擦材料表面粗糙度較高以及摩擦層/襯底層在接觸時發生壓縮形變等。因此，當把TENG用于開發實際應用時，一般都需要復雜的后處理電路(包括：陷波濾波器、信號放大器和基于閉鎖繼電器的單片機等)。針對上述問題，研究人員非常希望能夠開發一種基于自驅動技術與光通信技術相結合的簡潔、高效的人機交互界面技術。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所孫其君研究員和王中林院士研究團隊基于摩擦電信號觸發的自驅動光通信器，開發出一種適用于任意物體的通用型、穩定型觸覺交互系統（TIS）。該系統由作為信號發生器的TENG（可選用任何可摩擦帶電的材料），光通信器（由LED和光敏電阻組成），和信號處理單元三個部分組成。第一部分，TENG作為機械傳感器，可收集觸覺、滑動、按壓、揮手、手臂/腿彎曲或踏步等動作指令，并將其轉換為電信號；第二部分，外界刺激誘發的電信號可通過驅動LED發光來調節接收光信號的光敏電阻的阻值，構成了自驅動光通信系統；第三部分，采用分壓電路，有效的將輸入的脈沖信號轉換成可以被單片機直接識別的穩定數字信號。該系統的優點是只要觸發信號能夠驅動LED燈（啟動電壓2.2V，電流2μA），信號就可以被有效識別。而由紙、金屬、高分子塑料等各種材料制作的TENG 在四種工作模式下的輸出功率都可輕易滿足這個要求，從而使該系統具有極好的通用性。基于該TIS觸覺交互界面，研究團隊還開發了相應的交互應用(如透明石墨烯開關、LED流水燈和紙基鋼琴)和無線控制應用(如PPT控制器和臺燈控制器)，證明了TIS在物聯網和智能機器人等領域廣闊的應用前景。在即將到來的5G時代和工業4.0時代，TIS展示出了可用于更為復雜的交互場景的巨大潛力。
該研究成果以A universal and arbitrary tactile interactive system based on self-powered optical communication為題發表于近期的Nano Energy期刊(DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104419)。
圖文導讀
圖1.基于自驅動光通信的TIS概述。（a）TIS設計概念。（b）廣泛的可選材料和多種TENG工作模式
圖2. ?（a）接觸分離模式TENG的示意圖。（b）TENG的典型輸出信號，包括短路電流和開路電壓。（c）TENG不規則的輸出信號。（d）接觸分離過程中可能產生的非理想情況。
圖3. （a）TIS的原理圖和等效電路圖。（b）自驅動光通信的等效電路圖和分壓原理圖。（c）自驅動光通信的電壓轉換特性。（d）輸入系統的正弦波信號。（c）系統輸出的方波信號。
圖4. TIS在不同襯底上的基本交互應用。（a）石墨烯觸控開關原理圖及其在微縮城市景觀的應用演示。（b）紙基接觸-分離模式TENG及其在LED流水燈中的應用。（c）交互式紙鋼琴的原理圖和實物照片。（d）原始的不規則和雜亂的電流信號通過自驅動光通信轉換成標準數字信號，并由單片機直接讀取。
圖5.（a）用于無線控制的可穿戴TIS的設計概念。（b）無線TIS的工作原理。（c）環形TENG力學傳感器的設計結構。（d）環形TENG用于控制PPT的演示。（e, f）基于紡織品的TENG結構和在衣服上的布置。（g）基于紡織品的無線TIS用于控制臺燈。
視頻介紹
總結
在這項工作中，研究團隊提出了一個基于自驅動光通信的通用型任意觸覺交互系統（TIS）。作為機械信號采集器的TENG采集來自用戶發出的指令，通過LED-光敏電阻構成的光通信器和分壓電路，轉換成數字信號。單片機可以直接識別數字信號，并針對不同的應用場景運行不同的嵌入式程序。該系統通過光通信解決了HMI系統的核心問題，即將不規則的模擬信號轉換成數字信號，而無須使用電容器、電感器和電壓比較器等電子元件。基于該TIS觸覺交互界面，研究團隊還開發了一系列相關應用，展現了TIS廣闊的應用前景。以及在即將到來的5G時代和工業4.0時代，TIS可用于更為復雜的交互場景的巨大潛力。
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