Science Advances: 摩擦納米發電技術開創新型感官控制的人機交互
【引言】
感官控制的人機交互（human-machine interface, HMI）可以在人和外界設備之間建立新的自然交流途徑，有利于提高人們的生活品質，例如，有意識地眨一下眼睛，即可開/關電燈。傳統的采用眼電信號（electrooculogram, EOG）來實現人機交互的系統中，人們對于眨眼動作的探測主要來自于極為微弱的體表生物電信號，卻忽略了眨眼引起的太陽穴附近皮膚的微小運動。采用摩擦納米發電技術（triboelectric nanogenerator, TENG），設計一種微運動/位移傳感器，對于該微小運動的探測將會有極高的靈敏度，并且相對于傳統的眼電探測電極具有更好的耐久性和穩定性。這使得通過眨眼來控制外部設備有希望從實驗室走向我們的日常生活。
【成果簡介】
2017年7月28日，重慶大學的胡陳果教授、中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（共同通訊作者）等人在Science Advances發表了題為“Eye motion triggered self-powered mechnosensational communication system using triboelectric nanogenerator”的研究論文，蒲賢潔和郭恒宇為論文共同第一作者。該論文報道了采用摩擦納米發電技術設計的微運動/位移傳感器（mechnosensational TENG, msTENG），通過與眼部巧妙的附著方式，獲取高靈敏度和持久穩定的眨眼信號采集，并將此眼部微動傳感器用于人機交互，構建了眼動控制家用電器和眼動虛擬打字界面等人機交互系統。這一研究的開展，給感官控制人機交互領域注入了新的設計理念，推動智能控制服務人類。
【圖文導讀】
圖一：msTENG的結構和工作原理
圖片來源：Sci. Adv
(A) 裝配有msTENG的普通眼鏡示意圖。1：用于傳感器位置調節的固定裝置。2：msTENG分層結構示意圖，插圖：FEP納米線的SEM圖，標尺為5μm；
(B) 裝配有msTENG的眼鏡實物圖, 標尺為2cm；
(C)固定裝置實物圖, 標尺為1cm；
(D) 柔性透明的msTENG實物圖，標尺為1cm；
(E) msTENG工作原理示意圖。上：眨眼過程中眼睛處于不同狀態時，傳感器上的電荷分布。下：用COMSOL模擬相應狀態的電勢分布。
圖二：msTENG性能測試
圖片來源：Sci. Adv
(A) 擠壓形變程度為8~1.0mm時施加力和輸出電壓的測試曲線，其中的硅膠用于模擬眼角皮膚；
(B) msTENG在不同擠壓頻率（5~3.0Hz）下的負載電壓（上）和開路電壓（下）測試；
(C) msTENG兩層膜間間距對輸出電壓的影響；
(D) msTENG器件尺寸（直徑）對輸出電壓的影響；
(E) msTENG采集模式和EOG采集模式對比；
(F) msTENG和EOG同步采集。右上：msTENG信號縮小顯示；右下：EOG信號放大顯示。
圖三：msTENG用于控制家用電器
圖片來源：Sci. Adv
(A) msTENG應用于家電控制的結構框圖，通過簡單的濾波放大，眨眼信號可以被轉換為控制家電的觸發信號；
(B) 信號調理電路；
(C) 由上至下的電壓信號分別為：msTENG采集到的原始眨眼信號、濾波信號、放大信號、繼電器轉換的信號；
(D) 實物演示利用msTENG控制臺燈、電扇、門鈴。
圖四：msTENG應用在虛擬打字系統
圖片來源：Sci. Adv
(A) 通過msTENG為“閉鎖綜合征”患者提供一條新的與外界交流途徑的構想；
(B) 給msTENG眼鏡裝配上無線模塊，使其更便于使用；
(C) 有線采集信號（綠色）與無線采集信號（紅色）的對比；
(D) 所設計虛擬打字系統中，眨眼信號及其對應字符的輸出；
(E) 虛擬打字系統的界面設計，可設置觸發閾值、檢測時間和光標移動時間；
(F) 演示利用msTENG進行虛擬打字，屏幕上的字符是通過眨眼輸入的。
文獻鏈接：Eye motion triggered selfpowered mechnosensational communication system using triboelectric nanogenerator（Sci. Adv. ，2017，DOI: 10.1126/sciadv.1700694）
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