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澳门大学周冰朴课题组 《Nano Energy》:基于电磁感应、可响应手指滑动方向的柔性人机交互界面
2022-08-10  来源:高分子科技

  基于柔性可穿戴器件的人-机交互界面作为人体和设备沟通的桥梁,能将人体的各种动作指令转化为设备可识别的电学信号,因而得到了广泛的关注和应用。在人机交互中,手指点击(tapping)和滑动(sweeping)是两种常见的操作方式。然而,前期的柔性传感器件往往聚焦于压力“点击”这一动作,而“滑动”则较少被提及;再者,多指令的交互界面往往依赖于器件的阵列化,这无疑会增大整体器件面积。“Sweeping”是一种"方向性"的操作,在仅用一个器件而不采用阵列式的情况下,如何辨别手指滑动方向且输出可识别信号是一个必要的前提。


  有鉴于此,澳门大学周冰朴研究团队与五邑大学罗坚义教授合作,提出了一种基于电磁感应现象、可识别手指滑动方向的可穿戴柔性人机交互界面。通过设计轴向(水平)充磁的柔性微柱子阵列,手指滑动施压可以实现微柱子阵列在不同方向的偏折下,底部柔性线圈内所感知的磁通量出现正负值差异,进而获得完全相反的电压输出信号。该传感器能够在不同方向的外力刺激下输出可区分的电学信号,因而有望在多模式的人机交互、智能控制等场合发挥作用。相关研究成果以“Sweeping-responsive Interface Using the Intrinsic Polarity of Magnetized Micropillars for Self-Powered and High-capacity Human-machine Interaction”为题发表在《Nano Energy。文章第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生丁森该工作受到了澳门科学技术发展基金(0088/2021/A2, 0026/2020/AGJ)的经费支持。


基于电磁感应的柔性交互式界面的工作原理示意图


  该人机交互界面由多根沿轴向磁化的柔性PDMS/NdFeB微柱及下方的铜线圈组成。如图1所示,每一根轴向磁化的微柱,皆可看成是磁极沿着轴向分布的微型柔性磁铁。当施加水平应力时,微柱会产生弯曲形变,同时穿过下方线圈中的磁通量会产生变化;根据法拉第电磁感应定律,当柱子朝不同方向弯曲形变时,穿过线圈的磁通变化量的符号会截然相反,进而使得线圈中的感生电动势的波形也截然相反。通过线圈中感生电动势符号的差异,则可以识别手指“扫动”的方向,进而实现不同场合中人机交互的应用。

 

人机交互界面的多方位表征及性能优化。(a)人机交互界面的穿戴和形貌展示。(b)交互界面的整体性能优化。(c)沿不同方向磁化后的微柱阵列。(d)沿不同方向磁化后的微柱阵列形变后,线圈中的感生电动势对比。


  柔性和可穿戴性能是考量人机界面实用性的另一个维度,由于整个界面是由PDMS、NdFeB颗粒和激光加工的铜箔制备而成,因而呈现出良好的柔性(图2a)。另外,器件整体小巧轻便,便于穿戴。为了平衡电学响应性能和形变能力,作者进行了一系列优化实验(图2b),最终敲定了单个微柱半径为0.25毫米,高度为3毫米,相邻微柱间距为1毫米的5×5阵列。不同于纵向磁化,轴向磁化的设计赋予了此界面方向判别的能力。作者进一步对不同磁化方式的微柱阵列进行了响应能力的对比。图2c展示了沿不同方向磁化后微柱阵列的形貌特征。沿着纵向磁化的微柱阵列末端相互排斥,与之相反,沿着轴向磁化的微柱阵列末端则相互吸引。图2d则展示了磁化方向对于方向判别能力和人机交互能力的影响。沿着纵向磁化的微柱阵列在朝不同方向弯曲偏转时只能输出一种信号,而沿轴向磁化的微柱阵列则可以输出两种截然不同的信号,因而能够在后续的电路信号处理中获取更多的可能性。

 

3人机交互应用展示。(a)基于滑动方向的手机翻页器。(b)在水下仍可以稳定运行的摩尔斯电码。(c)铅球游戏界面。


  经过后续电路的滤波、放大和传输,该人机交互界面可针对不同场合设计相应功能。图3a展示了一个基于滑动方向的手机翻页器,当手指沿着不同方向滑动时,线圈中的感生电动势的符号会截然相反,经过后续电路的处理,可以方便直观地实现手机翻页的功能。另外,磁场变化并不易受周围环境温、湿度的影响,因而呈现出良好的稳定性。通过定义不同的感生电动势,一款水下仍可稳定运行的摩尔斯电码系统可以被实现(图3b)。在一次滑动过程中,柔性微柱的形变和恢复会在线圈中感生出两个符号相反的电动势,而两电动势之间的时间间隔则可以被人为的控制(图3c)。因此,作者们还开发一款投掷铅球的小游戏。在游戏过程中,当柱子发生形变时,游戏中的人物则开始蓄力,并根据电动势的符号选择铅球的投掷方向;当用户松开柱子使柱子恢复至初始状态,游戏中的人物将铅球抛出,整个蓄力的时间则可以人为控制。作者通过对整个可穿戴体系的优化,展示了该界面在自供电响应及稳定性、方向识别等方面的优势及人机交互中的应用潜力。


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

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