串聯(lián)人機協(xié)作的可穿戴人機界面

可作為智能反饋的機器皮膚，靈活模擬人體反應，實時完成人機交互

●創(chuàng)新點

電子、材料和機械設計的最新發(fā)展為可穿戴人機界面（HMI）設備提供了一些可利用的條件，但仍存在一定的不足。例如，通過柔性互聯(lián)線連接的傳統(tǒng)電子芯片和傳感器的設計可以實現(xiàn)所需的電氣和傳感功能，但它的機械柔軟性不夠，限制了人體的運動及人體動態(tài)運動時所需的變形性能。彈性電子材料能夠滿足變形、可伸縮性能的要求，為構(gòu)建可伸縮的可穿戴人機界面設備提供了一種替代方案。然而，這些電子材料的響應時間較慢，并在循環(huán)變形后具有巨大的滯變現(xiàn)象。無機材料表現(xiàn)出快速的響應時間及可忽略的滯變現(xiàn)象，但這些無機材料具有不可拉伸的機械特性。

此外，在實現(xiàn)可穿戴人機界面的多功能方面也面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)。例如，要實現(xiàn)傳感、交換、數(shù)據(jù)存儲等多種功能，需要多種不同類型的電子功能材料，并采用傳輸打印等異構(gòu)集成技術(shù)。這些技術(shù)的實現(xiàn)需要復雜的制造過程、較高的成本及兼容的工藝?，F(xiàn)有的可穿戴人機界面設備也許還不能解決上述問題。

美國得克薩斯超導中心的余存江教授課題組制備了超薄，具有伸縮性的、用于佩戴在人體皮膚以捕獲多種物理數(shù)據(jù)的柔性多功能HMI。相關(guān)研究成果于2019年8月2日發(fā)表在國際期刊《科學進展》（ScienceAdvances）雜志上。

●方法和結(jié)果

余存江教授課題組制備的超薄、可伸縮及可穿戴的柔性多功能HMI包括用于存儲數(shù)據(jù)的電阻隨機存取存儲器（RERAM），用于接口和開關(guān)電路的場效應晶體管（FET），用于身體運動傳感的應變傳感器、溫度傳感器及微型加熱器。這些器件是同時制造的，不需要組合多個功能材料，也不需要過多的異構(gòu)集成步驟。這些裝置是以超薄（3～4微米）和狹窄的彎曲蛇形開放式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)建造的，使得穿戴者在接收信號反饋時幾乎察覺不到它的存在。通過以上各種感知器件，這種HMI會在人體的皮膚上捕捉多個物理數(shù)據(jù)并進行感知，提供智能反饋，形成一個閉環(huán)的人機交互界面。

應用前景

基于氧化銦鋅（IZO）半導體納米薄膜的HMI不僅可以在人體皮膚上實現(xiàn)無縫且牢固的黏合，還可以作為智能反饋的機器皮膚，靈活模擬人體反應，實時完成人機交互，通過這種人機閉環(huán)回路實現(xiàn)了人體運動的虛擬，串聯(lián)了人機之間的協(xié)作。在某些特定情況下，這項設備可以以虛擬角色的身份完成人類無法完成的危險動作，通過可控方式實現(xiàn)最佳的完成效果。

Source：SIM K, RAO Z, ZOU Z, et al. Metal oxide semiconductor nanomembrane-based soft unnoticeable multifunctional electronics for wearable humanmachine interfaces[J]. Science Advances, 2019, 5(8): eaav9653.