北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员Nano Energy：基于自驱动光通信的通用型任意触觉交互系统
引言
随着电子工程、微机电控制和信息技术的飞速发展，物联网已经渗透到各行各业。依赖于磁传感器、电传感器、机械控制器和光电探测器的人机交互是实现感知、转换、通信和反馈的主要要素。虽然在提高交互接口的灵敏度、灵活性和耐用性等方面已经取得了大量的成果，但在无线通信接入、降低成本和功耗、降低环境噪声等方面仍存在很大的挑战。同时由于解码技术和黑客技术的迅猛发展，传统人机交互界面（HMI）系统中网络/数字认证安全问题日益严重。在各种人机交互策略中，光通信能够以远距离、无辐射的方式快速、有效地传输大量的信息和数据。在物联网中，分布式光通信器通常以一种全时耗能的方式进行数据传输，即使在小容量数据交换和空闲期也是如此。这不可避免地增加了能耗和预防性维护成本。
成果简介
基于摩擦起电和静电感应原理，摩擦纳米发电机(TENG)使用麦克斯韦位移电流作为驱动力可有效将机械能转化成电能/电信号；通过将机械能转化为电能来驱动各种传感器和控制器，TENG也广泛用于自驱动传感技术。此外，它还可以作为HMI系统的自供电传感器，辅以相应的处理电路，将机械信号转换成数字触发信号。TENG在工作过程中，有时不可避免地存在两个摩擦层不能进行完美接触分离的问题，由此导致的TENG输出信号并不是一个单脉冲而是一种不规则的脉冲。导致该问题的原因有以下几种可能，例如摩擦层或支撑基板在接触分离时发生振动，摩擦材料表面粗糙度较高以及摩擦层/衬底层在接触时发生压缩形变等。因此，当把TENG用于开发实际应用时，一般都需要复杂的后处理电路(包括：陷波滤波器、信号放大器和基于闭锁继电器的单片机等)。针对上述问题，研究人员非常希望能够开发一种基于自驱动技术与光通信技术相结合的简洁、高效的人机交互界面技术。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君研究员和王中林院士研究团队基于摩擦电信号触发的自驱动光通信器，开发出一种适用于任意物体的通用型、稳定型触觉交互系统（TIS）。该系统由作为信号发生器的TENG（可选用任何可摩擦带电的材料），光通信器（由LED和光敏电阻组成），和信号处理单元三个部分组成。第一部分，TENG作为机械传感器，可收集触觉、滑动、按压、挥手、手臂/腿弯曲或踏步等动作指令，并将其转换为电信号；第二部分，外界刺激诱发的电信号可通过驱动LED发光来调节接收光信号的光敏电阻的阻值，构成了自驱动光通信系统；第三部分，采用分压电路，有效的将输入的脉冲信号转换成可以被单片机直接识别的稳定数字信号。该系统的优点是只要触发信号能够驱动LED灯（启动电压2.2V，电流2μA），信号就可以被有效识别。而由纸、金属、高分子塑料等各种材料制作的TENG 在四种工作模式下的输出功率都可轻易满足这个要求，从而使该系统具有极好的通用性。基于该TIS触觉交互界面，研究团队还开发了相应的交互应用(如透明石墨烯开关、LED流水灯和纸基钢琴)和无线控制应用(如PPT控制器和台灯控制器)，证明了TIS在物联网和智能机器人等领域广阔的应用前景。在即将到来的5G时代和工业4.0时代，TIS展示出了可用于更为复杂的交互场景的巨大潜力。
该研究成果以A universal and arbitrary tactile interactive system based on self-powered optical communication为题发表于近期的Nano Energy期刊(DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104419)。
图文导读
图1.基于自驱动光通信的TIS概述。（a）TIS设计概念。（b）广泛的可选材料和多种TENG工作模式
图2. （a）接触分离模式TENG的示意图。（b）TENG的典型输出信号，包括短路电流和开路电压。（c）TENG不规则的输出信号。（d）接触分离过程中可能产生的非理想情况。
图3. （a）TIS的原理图和等效电路图。（b）自驱动光通信的等效电路图和分压原理图。（c）自驱动光通信的电压转换特性。（d）输入系统的正弦波信号。（c）系统输出的方波信号。
图4. TIS在不同衬底上的基本交互应用。（a）石墨烯触控开关原理图及其在微缩城市景观的应用演示。（b）纸基接触-分离模式TENG及其在LED流水灯中的应用。（c）交互式纸钢琴的原理图和实物照片。（d）原始的不规则和杂乱的电流信号通过自驱动光通信转换成标准数字信号，并由单片机直接读取。
图5.（a）用于无线控制的可穿戴TIS的设计概念。（b）无线TIS的工作原理。（c）环形TENG力学传感器的设计结构。（d）环形TENG用于控制PPT的演示。（e, f）基于纺织品的TENG结构和在衣服上的布置。（g）基于纺织品的无线TIS用于控制台灯。
视频介绍
总结
在这项工作中，研究团队提出了一个基于自驱动光通信的通用型任意触觉交互系统（TIS）。作为机械信号采集器的TENG采集来自用户发出的指令，通过LED-光敏电阻构成的光通信器和分压电路，转换成数字信号。单片机可以直接识别数字信号，并针对不同的应用场景运行不同的嵌入式程序。该系统通过光通信解决了HMI系统的核心问题，即将不规则的模拟信号转换成数字信号，而无须使用电容器、电感器和电压比较器等电子元件。基于该TIS触觉交互界面，研究团队还开发了一系列相关应用，展现了TIS广阔的应用前景。以及在即将到来的5G时代和工业4.0时代，TIS可用于更为复杂的交互场景的巨大潜力。
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