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  人機(jī)交互界面作為人機(jī)間相互施加影響的區(qū)域，可以使人類很好地控制與操作機(jī)器，并且得到其反饋的信息。近年來，人機(jī)交互界面在無線傳感器、便攜式可穿戴電子、安全與安防系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，因此受到了越來越多的關(guān)注。而且，隨著各種發(fā)電技術(shù)的飛躍發(fā)展，比如：太陽(yáng)能光伏、熱電、壓電技術(shù)等，自驅(qū)動(dòng)的人機(jī)交互系統(tǒng)也成為了研究的焦點(diǎn)。

  其中，通過將摩擦納米發(fā)電機(jī)作為電源和激勵(lì)源，一系列自驅(qū)動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)被相繼報(bào)道，涵蓋了各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，包括電化學(xué)、微流體控制、光學(xué)調(diào)節(jié)、靜電驅(qū)動(dòng)等。這些研究進(jìn)展都證實(shí)了摩擦納米發(fā)電機(jī)應(yīng)用于人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)際適用性。然而，上述提到的自驅(qū)動(dòng)的光學(xué)系統(tǒng)研究較少，且其廣泛應(yīng)用依然被自身的缺陷所限制。比如說，目前報(bào)道的基于彈性體的光學(xué)調(diào)制器，因其較高的驅(qū)動(dòng)電壓、慢的響應(yīng)速率、窄的調(diào)光范圍以及復(fù)雜的制備工藝，難以實(shí)現(xiàn)被廣泛的采用。因此，如何改善這類自驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的缺陷與不足，使其能夠被廣泛和直接地應(yīng)用也成為我們亟待解決的問題。

  近日，北京航空航天大學(xué)陳愛華研究團(tuán)隊(duì)和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所朱光研究團(tuán)隊(duì)、王中林院士研究團(tuán)隊(duì)通過采用單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)和聚合物分散液晶薄膜制備了一種新型的自驅(qū)動(dòng)光學(xué)開關(guān)（圖1），其工作原理為利用接觸摩擦起電產(chǎn)生的電壓驅(qū)動(dòng)液晶分子的排列，從而使聚合物分散液晶薄膜能夠快速地在初始的半透明態(tài)和瞬時(shí)的透明態(tài)之間切換。為了實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)下鮮明的對(duì)比度，液晶微滴的尺寸被調(diào)節(jié)至500 nm左右，此時(shí)光學(xué)開關(guān)的透過光相對(duì)光強(qiáng)的調(diào)節(jié)范圍為0.05至0.85，表現(xiàn)出非常好的光開關(guān)效果（圖2）。基于上述原理，一系列機(jī)械參數(shù)包括：接觸材料的種類、接觸面積、接觸速度和分離距離對(duì)光學(xué)開關(guān)的機(jī)械-電-光性能的影響被系統(tǒng)地研究。此外，將該光學(xué)開關(guān)與可見光控制電路進(jìn)行集成，得到了具有完全無源化傳感節(jié)點(diǎn)的無線傳感系統(tǒng)（圖3），該系統(tǒng)在許多人機(jī)交互應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，比如：安全與安防系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化控制等。

圖1 基于單電極摩擦納米發(fā)電機(jī)和PDLC光學(xué)器件的自驅(qū)動(dòng)光學(xué)開關(guān)：(a) 結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 理論電學(xué)模型示意圖；(c) PTFE薄膜刻蝕前（左）、后（右）的表面掃描電鏡圖；(d) PDLC器件電光效應(yīng)的原理示意圖。

圖2 PDLC器件的電光性能：(a) 施加在PDLC器件上的正弦電壓信號(hào)；(b) PDLC器件在不同電壓下的原位紫外可見透光率光譜；(c) PDLC器件在波長(zhǎng)為560 nm處的透光率隨電壓的變化；(d) PDLC器件在不同電壓下的光學(xué)照片。

圖3 以自驅(qū)動(dòng)光學(xué)開關(guān)為傳感節(jié)點(diǎn)的無線報(bào)警系統(tǒng)：(a) 系統(tǒng)工作的電路示意圖；(b) 手觸摸和腳踩踏時(shí)，光學(xué)開關(guān)的電光性能；(c)，(d) 手觸摸和(e)，(f) 腳踩踏觸發(fā)的無線報(bào)警展示。

  這一成果以題為“Self-Powered Optical Switch Based on Triboelectrification-Triggered Liquid Crystal Alignment for Wireless Sensing”發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者為北航材料學(xué)院博士研究生張臣。該研究為自驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的策略，并展示了其在人機(jī)交互領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808633