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澳門大學周冰樸課題組《Nano Energy》：基于電磁感應、可響應手指滑動方向的柔性人機交互界面

2022-08-10 來源：高分子科技

基于柔性可穿戴器件的人-機交互界面作為人體和設備溝通的橋梁，能將人體的各種動作指令轉化為設備可識別的電學信號，因而得到了廣泛的關注和應用。在人機交互中，手指點擊（tapping）和滑動（sweeping）是兩種常見的操作方式。然而，前期的柔性傳感器件往往聚焦于壓力“點擊”這一動作，而“滑動”則較少被提及；再者，多指令的交互界面往往依賴于器件的陣列化，這無疑會增大整體器件面積。“Sweeping”是一種"方向性"的操作，在僅用一個器件而不采用陣列式的情況下，如何辨別手指滑動方向且輸出可識別信號是一個必要的前提。

有鑒于此，澳門大學周冰樸研究團隊與五邑大學羅堅義教授合作，提出了一種基于電磁感應現象、可識別手指滑動方向的可穿戴柔性人機交互界面。通過設計軸向（水平）充磁的柔性微柱子陣列，手指滑動施壓可以實現微柱子陣列在不同方向的偏折下，底部柔性線圈內所感知的磁通量出現正負值差異，進而獲得完全相反的電壓輸出信號。該傳感器能夠在不同方向的外力刺激下輸出可區分的電學信號，因而有望在多模式的人機交互、智能控制等場合發揮作用。相關研究成果以“Sweeping-responsive Interface Using the Intrinsic Polarity of Magnetized Micropillars for Self-Powered and High-capacity Human-machine Interaction”為題發表在《Nano Energy》。文章第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生丁森。該工作受到了澳門科學技術發展基金（0088/2021/A2, 0026/2020/AGJ）的經費支持。

圖1 基于電磁感應的柔性交互式界面的工作原理示意圖。

該人機交互界面由多根沿軸向磁化的柔性PDMS/NdFeB微柱及下方的銅線圈組成。如圖1所示，每一根軸向磁化的微柱，皆可看成是磁極沿著軸向分布的微型柔性磁鐵。當施加水平應力時，微柱會產生彎曲形變，同時穿過下方線圈中的磁通量會產生變化；根據法拉第電磁感應定律，當柱子朝不同方向彎曲形變時，穿過線圈的磁通變化量的符號會截然相反，進而使得線圈中的感生電動勢的波形也截然相反。通過線圈中感生電動勢符號的差異，則可以識別手指“掃動”的方向，進而實現不同場合中人機交互的應用。

圖2 人機交互界面的多方位表征及性能優化。（a）人機交互界面的穿戴和形貌展示。（b）交互界面的整體性能優化。（c）沿不同方向磁化后的微柱陣列。（d）沿不同方向磁化后的微柱陣列形變后，線圈中的感生電動勢對比。

柔性和可穿戴性能是考量人機界面實用性的另一個維度，由于整個界面是由PDMS、NdFeB顆粒和激光加工的銅箔制備而成，因而呈現出良好的柔性（圖2a）。另外，器件整體小巧輕便，便于穿戴。為了平衡電學響應性能和形變能力，作者進行了一系列優化實驗（圖2b），最終敲定了單個微柱半徑為0.25毫米，高度為3毫米，相鄰微柱間距為1毫米的5×5陣列。不同于縱向磁化，軸向磁化的設計賦予了此界面方向判別的能力。作者進一步對不同磁化方式的微柱陣列進行了響應能力的對比。圖2c展示了沿不同方向磁化后微柱陣列的形貌特征。沿著縱向磁化的微柱陣列末端相互排斥，與之相反，沿著軸向磁化的微柱陣列末端則相互吸引。圖2d則展示了磁化方向對于方向判別能力和人機交互能力的影響。沿著縱向磁化的微柱陣列在朝不同方向彎曲偏轉時只能輸出一種信號，而沿軸向磁化的微柱陣列則可以輸出兩種截然不同的信號，因而能夠在后續的電路信號處理中獲取更多的可能性。

圖3人機交互應用展示。（a）基于滑動方向的手機翻頁器。（b）在水下仍可以穩定運行的摩爾斯電碼。（c）鉛球游戲界面。

經過后續電路的濾波、放大和傳輸，該人機交互界面可針對不同場合設計相應功能。圖3a展示了一個基于滑動方向的手機翻頁器，當手指沿著不同方向滑動時，線圈中的感生電動勢的符號會截然相反，經過后續電路的處理，可以方便直觀地實現手機翻頁的功能。另外，磁場變化并不易受周圍環境溫、濕度的影響，因而呈現出良好的穩定性。通過定義不同的感生電動勢，一款水下仍可穩定運行的摩爾斯電碼系統可以被實現（圖3b）。在一次滑動過程中，柔性微柱的形變和恢復會在線圈中感生出兩個符號相反的電動勢，而兩電動勢之間的時間間隔則可以被人為的控制（圖3c）。因此，作者們還開發一款投擲鉛球的小游戲。在游戲過程中，當柱子發生形變時，游戲中的人物則開始蓄力，并根據電動勢的符號選擇鉛球的投擲方向；當用戶松開柱子使柱子恢復至初始狀態，游戲中的人物將鉛球拋出，整個蓄力的時間則可以人為控制。作者通過對整個可穿戴體系的優化，展示了該界面在自供電響應及穩定性、方向識別等方面的優勢及人機交互中的應用潛力。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522007492?via%3Dihub

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（責任編輯：xu）

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