Science Advances: 摩擦纳米发电技术开创新型感官控制的人机交互

【引言】

感官控制的人机交互（human-machine interface, HMI）可以在人和外界设备之间建立新的自然交流途径，有利于提高人们的生活品质，例如，有意识地眨一下眼睛，即可开/关电灯。传统的采用眼电信号（electrooculogram, EOG）来实现人机交互的系统中，人们对于眨眼动作的探测主要来自于极为微弱的体表生物电信号，却忽略了眨眼引起的太阳穴附近皮肤的微小运动。采用摩擦纳米发电技术（triboelectric nanogenerator, TENG），设计一种微运动/位移传感器，对于该微小运动的探测将会有极高的灵敏度，并且相对于传统的眼电探测电极具有更好的耐久性和稳定性。这使得通过眨眼来控制外部设备有希望从实验室走向我们的日常生活。

【成果简介】

2017年7月28日，重庆大学的胡陈果教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（共同通讯作者）等人在Science Advances发表了题为“Eye motion triggered self-powered mechnosensational communication system using triboelectric nanogenerator”的研究论文，蒲贤洁和郭恒宇为论文共同第一作者。该论文报道了采用摩擦纳米发电技术设计的微运动/位移传感器（mechnosensational TENG, msTENG），通过与眼部巧妙的附着方式，获取高灵敏度和持久稳定的眨眼信号采集，并将此眼部微动传感器用于人机交互，构建了眼动控制家用电器和眼动虚拟打字界面等人机交互系统。这一研究的开展，给感官控制人机交互领域注入了新的设计理念，推动智能控制外围是什么意思 人类。

【图文导读】

图一：msTENG的结构和工作原理

图片来源：Sci. Adv

(A) 装配有msTENG的普通眼镜示意图。1：用于传感器位置调节的固定装置。2：msTENG分层结构示意图，插图：FEP纳米线的SEM图，标尺为5μm；

(B) 装配有msTENG的眼镜实物图, 标尺为2cm；

(C)固定装置实物图, 标尺为1cm；

(D) 柔性透明的msTENG实物图，标尺为1cm；

(E) msTENG工作原理示意图。上：眨眼过程中眼睛处于不同状态时，传感器上的电荷分布。下：用COMSOL模拟相应状态的电势分布。

图二：msTENG性能测试

图片来源：Sci. Adv

(A) 挤压形变程度为8~1.0mm时施加力和输出电压的测试曲线，其中的硅胶用于模拟眼角皮肤；

(B) msTENG在不同挤压频率（5~3.0Hz）下的负载电压（上）和开路电压（下）测试；

(C) msTENG两层膜间间距对输出电压的影响；

(D) msTENG器件尺寸（直径）对输出电压的影响；

(E) msTENG采集模式和EOG采集模式对比；

(F) msTENG和EOG同步采集。右上：msTENG信号缩小显示；右下：EOG信号放大显示。

图三：msTENG用于控制家用电器

图片来源：Sci. Adv

(A) msTENG应用于家电控制的结构框图，通过简单的滤波放大，眨眼信号可以被转换为控制家电的触发信号；

(B) 信号调理电路；

(C) 由上至下的电压信号分别为：msTENG采集到的原始眨眼信号、滤波信号、放大信号、继电器转换的信号；

(D) 实物演示利用msTENG控制台灯、电扇、门铃。

图四：msTENG应用在虚拟打字系统

图片来源：Sci. Adv

(A) 通过msTENG为“闭锁综合征”患者提供一条新的与外界交流途径的构想；

(B) 给msTENG眼镜装配上无线模块，使其更便于使用；

(C) 有线采集信号（绿色）与无线采集信号（红色）的对比；

(D) 所设计虚拟打字系统中，眨眼信号及其对应字符的输出；

(E) 虚拟打字系统的界面设计，可设置触发阈值、检测时间和光标移动时间；

(F) 演示利用msTENG进行虚拟打字，屏幕上的字符是通过眨眼输入的。

文献链接：Eye motion triggered selfpowered mechnosensational communication system using triboelectric nanogenerator（Sci. Adv. ，2017，DOI: 10.1126/sciadv.1700694）

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