Advanced Functional Materials:基于可穿戴传感器件的人机交互系统:从设计到应用

近年来柔性电子的兴起,为人机交互(HMI)系统带来了一场全新的革命,这些柔性可穿戴的电子设备可以满足人们日益追求更方便、更丰富多彩的生活的需求。在人机交互的系统中,人是整个系统中最重要的部分。而满足客户服务的应用需求,提升用户体验是人机交互技术的核心理念。然而,传统的笨重和刚性电子设备,很大程度上影响了用户的舒适度,并抹杀了未来各种新颖交互方式的可能性。要克服这些缺点,必须开发具有优异机械柔韧性和良好延展性的柔性传感器和电子器件;这可以为进一步的人机界面应用提供一个有效和潜在的平台。柔性、可伸缩的传感器可以附着在如人体和机器人皮肤等弯曲和动态的表面上,持续实时监测生理和环境指标。人机界面要求精确的可穿戴传感器不断地向机器提供准确、实时的外部信息,因此基于柔性传感器的感知过程是人机界面的基础,舒适先进的可穿戴传感器也在很大程度上决定了交互的准确性和交互过程的用户体验。同样,通过柔性弹性电子材料可以适当满足变形性和延展性的要求,这有助于制造软执行器和机器人,从而创造更全面和迷人的应用设计。

新的可穿戴HMI系统也必须遵循传统设计原则,包括四个部分,即用户、系统、输入和输出(如下图)。人机界面系统通常是双向的,提供了一个新窗口与外界进行交互,以及将虚拟想法转变为现实的可能性。对于可穿戴的人机界面系统而言,人机交互主要是以下的过程:依赖于灵活的传感器(如压力传感器和摩擦电纳米发电机来捕捉人体的运动状态以及实时的生物电和周围信号;随后,在系统对信号处理,与传输后,机器执行特定的功能。在输出部分,“机器”可以更广泛地指机械执行器、机器人或计算机;同时,开发了多种交互界面,包括触摸屏、电子皮肤、软机器人技术、沉浸式体感技术等以适应对多种不同的需求。

中国科学院半导体研究所沈国震研究员领导的柔性传感与系统集成技术实验室总结了基于柔性传感器和软执行器的可穿戴人机界面系统的最新进展。人机界面系统可以被拆解并分为,包括输入、通信、信号处理和输出几个部分,各部分的作用机理、材料选择以及新颖的设计策略被详细总结。由于传感器对于整个交互过程至关重要,这篇综述首先关注用于设计柔性传感器的机制和策略,包括非自供电和自供电传感器。然后,又回顾了人机界面系统的其他部分,包括不同的通信方法和软执行器的制造技术。随后,介绍了可穿戴人机界面系统在智能识别与安全、机器人交互控制、增强现实(AR)和虚拟现实等领域的应用。最后,这篇综述讨论了这一领域所面临的挑战,并分享了对未来趋势的展望。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202008936)上。