Nano Energy :仿生鱼振动感受器的摩擦电振动传感器可在任意普通平面上构建智能人机交互界面

【前言】

随着人工智能的飞速发展，各种人机交互界面引起了科学家们的关注。基于磁、电、力学、光学等各种原理的传感器已被开发出来，用于构建交互界面。目前，智能系统的交互性以多种方式实现，如集成在手表、服装、腕带、键盘、麦克风、触摸屏等设备上的可穿戴式、可移动式、和可植入式界面。虽然许多基于各种先进材料和原理的方案已经被开发出来用来提高人机界面在灵活性、延展性和灵敏度方面的性能，但它仍然受限于有限的传感面积、高昂的价格、不可移动性和高功耗。此外，作为交互系统不可或缺的组成部分，人机界面是唯一的信息输入和控制手段，用于信息记录和输出、财务管理、账单支付、个人通信等。在这方面，现有的人机交互界面在个人敏感信息方面仍然存在较大的风险。例如，目前基于声学的人机界面容易被窃听，并且对环境噪声敏感。基于键盘和触摸屏的人机界面也受到密码泄露的威胁，这就要求开发一种有效的、安全的人机交互界面。

【成果简介】

近日，重庆大学杨进教授团队报道了一种基于振动传感器的构建于任意平面的人机交互界面。将摩擦电振动传感器安装在门、墙、表等常见的普通表面上，通过时差估计来定位振动源，可将普通表面转化为多功能的交互界面。为了准确感知表面的微小振动，仿生鱼体侧线上对振动敏感的结构，构建了多层互锁结构的传感器，实现了0.97 V /N的高灵敏度, 从1到3kHz宽的频率范围,和0.01N的最低检测极限。基于此人机交互界面，实现了在普通表面上构建了虚拟键盘，依据人体敲击键盘生理特征实现了用户身份识别。另外实现了将普通表面，如桌面，墙面等转换成智能化人机交互界面，实现智能家居控制等应用。此基于摩擦电振动传感器的人机界面可以广泛应用于便携式计算机外围设备、计算机安全和智能家居系统的各种应用中。相关成果以“Triboelectric Vibration Sensor for a Human-Machine Interface Built on Ubiquitous Surfaces”为题发表在Nano Energy上。

【图文简介】

图1 摩擦电振动传感器的结构设计及工作原理

(a)鱼体侧线中的振动接收器

(b)摩擦电振动传感器结构示意图

(c)摩擦电振动传感器照片

(d)摩擦电振动传感器制作流程

(e) 多孔PDMS的光学显微图

(f)PE纳米线阵列的SEM图

(g)工作状态的摩擦电振动传感器

(h) 摩擦电振动传感器工作原理

(i)工作过程中摩擦电振动传感器的仿真二维电势分布

图2 摩擦电振动传感器电学特性测试

(a) 摩擦电振动传感器的力学灵敏度

(b)输出电压与频率的关系

(c) 10万次周期负载下摩擦电振动传感器的输出电压

(d)摩擦电振动传感器接收的振动波形

(e) 动量0.4 kg m/s下摩擦电振动传感器的输出波形

(f)输出波形的短时傅里叶变换

(g)不同测试距离下电压幅值与动量的拟合曲线

(h) 摩擦电振动传感器输出电压幅值与测试距离的关系

(i)电压归一化峰值响应方向图

图3基于摩擦电振动传感器的智能虚拟数字键盘

(a) COMSOL定位原理仿真

(b) 摩擦电振动传感器的仿真振动信号

(c)放大的信号波形

(d)虚拟键盘示意图

(e)当敲击按键1时，三个摩擦电振动传感器获得的振动信号

(f)所得信号的互相关函数

(g)构建与木板上的智能虚拟数字键盘

(h) TVSs在输入513976时获得的信号

(i)每一个按键的识别准确性

图4 基于摩擦电振动传感器的虚拟数字键盘身份识别系统

(a)身份识别系统框图

(b)按六次按键的波形

(c)信号的频谱

(d)归一化击键特征

(e)身份识别登录系统

(f)输入761284时，4个不同输入者的信号

(g)构建于木板上的智能虚拟数字键盘

图5多功能桌面交互系统

(a)多功能桌面交互系统框图

(b)微控制器及蓝牙模块照片

(c)智能桌面交互系统的整体布局

(d)当敲击区域1时，3个摩擦电振动传感器获得的信号

(e)多功能桌面交互系统照片

(f)区域识别准确度

【总结】

综上所述，本文为了实现便捷的人机交互，提出了一种基于振动的智能交互界面。通过任意表面上的物理振动进行传感，极大地扩大了交互区域面积。本文提出的摩擦电振动传感器模拟了鱼的侧线感受器，具有0.97 V/N的高灵敏度，和0.01 N的检测极限，能够感知非常细微的振动。本研究开发了一种基于摩擦电振动传感器的智能数字虚拟键盘和一种可定制的多功能桌面交互系统，可用于交互输入、身份识别和智能家居等。本文提出的基于摩擦电振动传感器的人机交互界面在便携式计算机外设、网络安全和人机交互等方面具有广泛的应用前景。

文献链接：Triboelectric Vibration Sensor for a Human-Machine Interface Built on Ubiquitous Surfaces (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.005)

本文由重庆大学杨进教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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