核心内容

  1. 概述了人和元宇宙交互的自供电传感技术的前沿。

  2. 用于人和元宇宙交互的自供电传感技术研究面临的挑战和应对策略。

  元宇宙（metaverse）是尼尔-斯蒂芬森在他的科幻小说《雪崩》中创造的一个概念。自从Facebook更名为Meta并宣布致力于发展这一概念以来，元宇宙已成为学术界和工业界的一个热门趋势。目前，元宇宙被定义为一组相互连接的虚拟空间，反映了现实世界，并为用户提供了互动、协作和社会活动的沉浸式环境。元宇宙将提供从社交、游戏、医疗到智慧城市、制造业、教育、艺术和房地产的服务。实现这样一个虚拟系统，需要整合大量的软件和硬件技术，如自然语言处理、计算机视觉、区块链、数字孪生、低延迟通信和人机界面。

  元宇宙的能耗主要来自两个方面。一方面，元宇宙由大量的数据和高能耗技术支持，如深度学习、云计算和数据存储。据报道，现有的数据中心每年已经消耗了相当于全球电力需求的1%或全球二氧化碳排放量的0.3%的电力。另一方面，人类-元宇宙接口（HMI）设备是在元空间中获得沉浸式和现实体验的基础（图1A）。作为现实世界和虚拟世界之间的桥梁，HMI设备应该实现两个主要功能。1.从现实世界中收集信息，建立一个虚拟世界。2.将虚拟世界中的信息渲染并反馈给现实世界。这将产生很大的能源消耗。

  传感技术是元宇宙收集真实世界信息的支柱。可穿戴传感器可以将现实世界中用户的动作、情绪、生理信号和环境互动投射到虚拟世界中，以控制他们的角色，并在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）的帮助下提供互动和沉浸式体验。对于环境信息，物联网（IoT）传感器可以通过数字孪生技术提供实时数据来创造元宇宙环境。创建一个包罗万象、生动活泼的元宇宙有赖于数以万亿计的此类传感器的同步协作，其形式包括智能标签、耳机、可穿戴设备、智能护目镜以及许多其他形式。每个传感器所需的功率很小，但元宇宙所需的传感器数量之多，最终造成了元宇宙相当大的能源消耗。因此，元宇宙将是一个能源成本高昂的生态系统，并可能阻碍碳中和目标的实现。虽然谷歌、亚马逊、微软和Meta等科技巨头都宣布他们计划在2030年前用零排放的可再生能源运行数据中心。人们仍然在呼吁为元宇宙的HMI传感器提供更先进的能源解决方案。

图1. 元宇宙中的自供电传感技术。(A) 元宇宙将通过人与元宇宙的互动为用户提供沉浸式体验。各种自供电传感技术可用于采集环境能量并同时收集有用的信息。  (B-E）电磁发电机（B）、摩擦纳米发电机（C）、压电纳米发电机（D）和磁弹性发电机（E）可以采集环境机械能。(F) 光伏技术可以采集环境中的光能。(G) 热电发电机可以采集环境热能。(H) 天线和线圈可以采集周围的电磁辐射能量。(I) 水力发电技术可以采集环境中的湿度能量。(J) 生物燃料电池可以通过生物化学反应收集环境能量。

自供电传感技术

  自供电传感技术可以广泛地应用于人类的元宇宙接口设备。他们有两种工作机制：应用物理和分析化学。在研究元宇宙中基于应用物理的自供电传感技术时，可通过采集环境机械能来构建自供电传感设备。其中科学界开发了磁弹性发电机（图2A-D）、压电纳米发电机、摩擦纳米发电机和电磁发电机。这些发电机的电输出与施加的应力和应变相关，而且往往是线性的。它们的电信号波形也可以与不同的人类运动模式相联系。因此，这些自供电传感器可以通过将人体的运动、心跳（图2D）、面部表情（图2E，F）和声音（图2G，H）转换为电信号而记录人体的生物力学信号，而无需外部电源。它们是理想的自供电传感技术，可以控制角色的运动、姿势、面部表情和手势，也可以监测健康状况，并以最大的模仿度向其在元宇宙的主人传达情绪。特别值得一提的是，MEG是一种基于最近发现的软系统中的巨磁弹性效应的自供电传感技术，由加州大学洛杉矶分校的陈俊课题组在2021年首次发明。它拥有一系列引人注目的特点，如柔软性、内在防水性、生物相容性、高电流输出和低内部阻抗。这样的MEG使自供电的传感器即使在有人类汗水的情况下也能有稳定的性能。自供电机械传感技术也可以无处不在地应用于物联网，以实现认知型数字孪生元城市。当安装在水龙头、门、搅拌机和厨房罩等内部物体上时，这些自供电传感器可以将环境中的水流、气流、振动、基础设施的运动和其他类型的机械活动转换为电信号，以显示家庭设备的状态，并同步进行大规模的人际互动。例如，当元宇宙用户在物理世界中打开一扇门时，其在虚拟空间中的孪生门可以通过反馈收到的电信号而同时打开。当在建筑屋顶上安装雨量传感器和风量传感器，在街道上安装交通量传感器，在车辆上安装加速度计时，这些传感器可以将城市天气和交通信息的新鲜时空数据流反馈到元宇宙平台上，以构建一个真实的虚拟城市。

基于分析化学的自供电传感技术与基于应用物理的传感技术同样重要。例如，它可以通过生物燃料电池和电化学分析的协同组合来实现。生物燃料电池是未来可穿戴和植入式电子产品最有前途的动力来源之一。它可以从人体汗液中的乳酸反应直接产生mW/cm²水平的电力。所产生的电力可以反过来驱动同一电解液中其他生物标志物的电化学分析，形成一个闭环和生态友好的能源感应纽带（图2N）。 来自这种自我维持的化学感应系统的信息，如皮质醇和葡萄糖的浓度，可以为医疗服务的元宇宙提供宝贵反馈。

图2. 用于人类元气界面的自供电传感设备 (A-D) 基于巨磁弹性效应的软磁弹性发生器可以将人体生物力学信号，如人体脉搏波和肢体运动转换为定量的电流，用于自供电的身体活动感应。数据为平均值±标准差；n=5。 (E, F) 软压电纳米发电机可以将人脸上的肌肉运动转换成电压，用于自供电的面部表情识别。比例尺。5厘米。数据为平均值±标准差；n=21。(G, H) 一个三电听觉监测系统将声波转换为电压，用于自供电的语音记录和识别。比例尺。1μm和1mm。(I）用于检测人类心跳、动脉血氧饱和度和呼吸频率的环境光传感器的方案。使用这种设置，电信号是由血液流动的传输环境光产生的。这些信号与流动的血液数量成正比。因此，生理信号可以以自供电的方式进行监测。(J, K) 湿度驱动电源发生器的结构和输出，它可以产生与相对湿度差成比例的直流电，用于自供电的湿度感应。RH=相对湿度。(L, M) 一个灵活的微结构-框架支持的有机热电阵列可以同时映射压力和温度。在这个系统中，相对温度差被线性地转换为电压，用于自供电的温度感应。(N）用于人体生物标志物监测的生物燃料细胞-电化学分析系统。通过单体设计，乳酸盐生物燃料电池产生的电能直接驱动汗液尿素电化学传感器，实现自供电的代谢物传感。

纺织品作为传感平台

图3. 智能纺织品作为人类元气界面的自供电传感平台 (A-C) 用于人类手语识别的智能纺织品手套。比例尺：2厘米。(D) 智能纺织袜可用于步态分析和控制虚拟空间中化身的运动。(E-G) 一种压电智能纺织品，可以检测人类的语言和心跳。比例尺。5厘米。(H) 一种用于学习人与环境互动的智能纺织背心。(I, J) 用于监测人类睡眠的智能纺织床单。(K, L) 用于人体心血管健康监测的纺织品磁弹性发生器。(M, N)可提供峰值功率为70 mW m-2的纺织热电发电机可用于体温监测。字母p和n分别代表n型（电子）和p型（空穴）半导体纤维。(O, P) 纺织生物燃料电池从汗液乳酸盐中产生电能，并利用电能监测汗液钠离子的浓度。

展望

  自供电传感技术具有引人注目的特点，是迈向可自我维持的元宇宙的一块基石。在未来，自供电传感技术的发展可以从以下几个重要方面考虑。首先，监测整个人体活动的自供电传感器仍处于初始阶段。目前的研究主要集中在单一的传感器类型上，用于有限的生理信息提取。第二，一个高效的能源管理系统可在自供电传感器网络中最大限度地提高其利用效率。这可以避免在功率过剩的传感节点中浪费多余的能量。第三，应探索近传感器计算架构。这种方法有希望通过消除冗余的低水平传感数据的存储和传输来提高能源效率和数据延迟。同时，这种方法可以避免自供电传感器前端的信号处理的电力消耗。在这个架构中，从传感器获得的数据将被传输到附近的计算单元，以提取有用的信息并控制元宇宙中的角色和虚拟环境。这个计算单元的电源可以通过太阳能和风能采集器与储能系统一起实现零排放的目标。第四，自供电感应是一个从真实物理世界到三维虚拟空间的单一方向的信息流。从三维虚拟空间到现实物理世界的信息，如允许人们触摸、感觉和操纵虚拟物体的触觉反馈，在元宇宙中对于沉浸式体验也很重要。将自供电的传感和反馈技术合并到一个双向的通信系统中，代表了一个新的研究方向。第五，自供电的植入式传感器可能会受到更多关注。自供电能力对植入式传感器比可穿戴式传感器更重要。作为元宇宙中数字医疗服务的一个重要支持支柱，自供电的植入式传感器应该针对癌症和其他重要疾病的早期检测。此外，自供电的植入式传感器可以与自供电的模拟设备相结合，以调节人类的生理状态。

  在将自供电传感器与元宇宙无缝整合方面也存在一些挑战。首先，尽管文献中已经广泛研究了自供电传感，但用户对自供电传感器的接受程度仍不确定，特别是元宇宙用户是否愿意长期佩戴（即超过半年）。解决这一挑战的一个可行方案是使用纺织品作为传感平台。作为人类最早的发明之一，纺织品是人类日常生活中不可缺少的一部分。它作为人类文明的体现和人类文化的代表，已经成为人类社会不可分割的一部分。未来元宇宙的传感纺织品应具备三个基本功能。1. 发电。2. 全方位的多功能传感能力。3. 反馈能力。同时，传感织物的可清洗性、坚固性、舒适性和美观性仍应得到保证。最终，传感织物可以通过多个传感节点、一个中央计算节点、能量采集节点和信号传输节点进行模块化。其次，自供电的传感器的精确度需要进一步提高。由于环境噪声和它们的非线性响应，一个精确的物理量可能很难由自供电的传感器获得。更重要的是，每个元宇宙用户都处在不同的周围环境中，有着不同的生活习惯和独特的生理状态。人工智能有可能提高精确度，并在未来制造出更多个性化的自供电传感器，让传感器学习其佩戴者的行为和生理模式。传统的数据分析方法难以识别的微妙信号特征可以通过深度学习算法中的自动特征提取来加以利用。最终，我们希望自供电传感技术和人工智能的结合能够使更多的个性化传感器为元宇宙用户创造一个真正的数字双胞胎。第三，数据安全和隐私需要得到保障。为了构建一个生动的元宇宙，这些自供电传感技术将不可避免地收集大量的私人数据并将其暴露给科技公司。此外，随着更多的个人数据被上传元宇宙，机密和敏感数据被盗的风险也大大增加。要克服这一挑战，需要更严格的法规、更先进的网络安全技术以及政府的更多投入。  

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435122002859

陈俊教授简介

陈俊博士，现任加州大学洛杉矶分校生物工程系助理教授，并创建了可穿戴生物电子实验室，致力于以纳米技术和生物电子为基础，以智能织物、可穿戴器件和人体局域网为形式的，在能源、传感、环境和医疗领域内的前沿应用研究。已经出版书籍2册，论文250多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (4), Nature Communications (4), Science Advances, Joule (3)，Matter (10)，Advanced Materials (12) 等刊物发表论文150余篇。其作品七次入选《自然》和《科学》杂志研究热点，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《华尔街日报》、《科学美国人》、《新闻周刊》等世界主流媒体共计 1200 余次。他目前的H指数为98，连续2019-2022年入选Web of Science 全球高被引学者。陈俊博士现任Biosensors and Bioelectronics, Med-X, Textiles 等杂志的副主编，也是Matter, Cell Reports Physical Science, Nano-Micro Letters, Materials Today Energy, Nano Trends, and The Innovation等国际期刊的编委会成员。陈俊博士最近获得的奖项与荣誉包括V. M. Watanabe Excellence in Research Award, UCLA Society of Hellman Fellows Award, BBRF Young Investigator Award, ACS PMSE Young Investigator Award, Okawa Foundation Research Award, Advanced Materials Rising Star, Materials Today Rising Star Award, ACS Nano Rising Stars Lectureship Award, Chem. Soc. Rev. Emerging Investigator Award, Nano Research Young Innovator Award, Microsystems & Nanoengineering Young Scientist Award, and many others.