中科院北京纳米能源所王中林院士Materials Today：摩擦纳米发电机阵列结合机器学习助力自供能人机交互系统安全

【引言】

在高速发展的信息时代，网络安全已经成为人们的一大顾虑，这使得人机交互界面需要有一个有效并能持续验证用户身份的解决方案。需要至少两个认证因素的多因素认证机制（Multi-factor authentication）可以提供比常用的单一认证因素方案（密码、指纹）高得多的安全级别。多因素认证机制不仅要求输入正确的密码，往往还要求额外的信息进行辅助验证，比如第三方安全令牌或用户自身的生物特征（指纹、声纹、虹膜等等）。击键动力学，Keystroke Dynamics，例如按键延迟、按键保持时间等，是基于人们的打字属性的生物行为信息，特别适合为使用实体键盘的系统增加额外的安全保护。然而，类似于其他行为生物特征，击键动力学的打字属性有时会有大的统计上的波动，而如果能从击键行为里提取更多的生物行为信息，如击键力度，将会有利于减少这种波动对于最终验证结果的影响。然而传统的键盘无法直接获取用户的击键力度，需要引入额外的压力传感器，使得硬件的成本和复杂性大幅度增加。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，佐治亚理工学院校董教授王中林院士（通讯作者）课题组研发了一套双因素验证、基于压强增强的击键动力学和摩擦纳米发电机阵列的身份验证和识别系统。此发明里使用的基于摩擦纳米发电机的主动感测硬件在系统完整性方面优于基于传统压力传感器的键盘，并且在信号质量方面优于之前的摩擦电传感器件。课题组首先在基于摩擦电的击键装置里引入了一层新的屏蔽电极用于防止误触，有效地将信号与干扰加噪声比从2db提高到10dB。在不同的按键力度下，所发明的击键装置会产生不同大小的电压信号，从而使得在没有传统压力传感器的情况下也能够体现打字力和手指大小等对电信号的影响，实现压强增强的击键动力学分析。通过采用支持向量机的监督式机器学习算法对提取出的用户特征信息进行训练和识别，可以实现高达98.7%的识别准确率。这是摩擦纳米发电机与机器学习技术的第一次深度融合，该系统可以实现对于用户身份的实时连续监测和识别，具有成本低廉、识别率高、适用性广等特点，在物联网、智慧城市、赛博网络安全、互联网金融中具有广泛的应用前景。相关成果以“Keystroke dynamics enabled authentication and identification using triboelectric nanogenerator array”为题发表在Materials Today上。

【图文导读】

图1 基于双因素的身份验证与识别系统

（a）系统流程图

（b）基于摩擦电的击键装置

（c）制备的数字键盘在不同状态下的照片

图2 摩擦电键盘性能的表征

（a）与不含屏蔽电极的摩擦电击键装置的电压输出对比

（b）基于电容器的分压装置以实现与便携式数据采集装置的兼容

（c）含有多个击键装置的系统等效电路图

（d）依次键入“8-3-7-5-0-9-2-4-1-6”所产生的电信号

图3 包含分类算法的验证与识别系统流程图

（a）系统训练流程

（b）验证与识别流程

图4 系统结果展示

（a）系统硬件示意图

（b）典型的时域特征信息示意图

（c）不同用户的击键特征信息对比

（d）使用不同数量的特征信息对系统准确度的影响

【小结】

这套基于摩擦电键盘和支持向量机算法的双因素验证识别系统有效地实现了压强增强的击键动力学的应用。相比于常规密码以及指纹验证，该系统可以实现对于用户身份的实时连续监测和识别，具有更高的安全性能。困扰摩擦电器件的信号干扰问题也从硬件层面得到了大幅改善。该成果是摩擦纳米发电机领域的又一重大进展，具有广阔的应用前景。

文献链接：Keystroke dynamics enabled authentication and identification using triboelectric nanogenerator array (Materials Today, 2018, 10.1016/j.mattod.2018.01.006)

【团队介绍】

 王中林院士：中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85,000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的创刊主编和现任主编。

吴昌盛（第一作者）、丁文伯和刘瑞远（共同一作）等人为佐治亚理工学院王中林院士（通讯作者）研究组成员。

附：王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

【相关论文】

1.Personalized Keystroke Dynamics for Self-Powered Human–Machine Interfacing (ACS Nano, 2015, DOI: 10.1021/nn506832w)

本文由佐治亚理工学院吴昌盛老师供稿，特此感谢！

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