基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)的自驅(qū)動感官控制人機交互系統(tǒng)
感官控制的人機交互(human-machine interface, HMI)可以在人和外界 設(shè)備之間建立新的自然交流途徑,有利于提高人們的生活品質(zhì),例如,有意識 地眨一下眼睛,即可開/關(guān)電燈。傳統(tǒng)的采用眼為微弱的體表生物電信號,卻 忽略了眨眼引起的太陽穴附近皮膚的微小運動。本項目采用摩擦納米發(fā)電技術(shù) (triboelectric nanogenerator, TENG ),設(shè)計一種微運動 / 位移傳感器 (mechnosensationalENG, msTENG),對于該微小運動的探測有極高的靈敏度 (數(shù)百倍于同步眼電信號),并且相對于傳統(tǒng)的眼電探測電極具有更好的耐久 性和穩(wěn)定性。通過與眼部巧妙的附著方式,獲取高靈敏度和持久穩(wěn)定的眨眼 信號采集,并將此眼部微動傳感器用于人機交互,構(gòu)建了眼動控制家用電器 和眼動虛擬打字界面等人機交互系統(tǒng)。這一研究的開展,給感官控制人機交 互領(lǐng)域注入了新的設(shè)計理念,使得通過眨眼來控制外部設(shè)備有希望從實驗室走 向我們的日常生活。 關(guān)鍵技術(shù): (1) 基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)的眼部微動傳感器設(shè)計(包括工作模式的選擇, 摩擦材料、電極材料的選擇及加工等)以及器件制作工藝水平,都將直接影響 傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性、美觀舒適性,這在整個系統(tǒng)中是最為關(guān)鍵的技術(shù)。 (2) 眼部微動傳感器在眼部周圍附著方式的設(shè)計,需要保證器件的靈敏度、 信號的穩(wěn)定性和操作的方便性,并考慮使用上的舒適美觀。這是這項技術(shù)能否進 入人們實際生產(chǎn)生活的重要因素之一。 (3) 基于眼部微動傳感器的人機交互界面的開發(fā),要求功能適用、界面友 好、操作簡易、性能穩(wěn)定,便于正常人群和閉鎖綜合征LLock-in,)患者等特 殊人群的使用,這是這項技術(shù)具有重要應用前景的關(guān)鍵技術(shù)之一。創(chuàng)新點: (1) 首次將基于摩擦電和靜電感應耦合的自驅(qū)動高靈敏傳感器作為替 代傳統(tǒng)生物電傳感器應用于感官控制的人機交互系統(tǒng),為人工智能領(lǐng)域注入了 新的傳感器設(shè)計理念。 (2) 將基于摩擦電和靜電感應耦合的自驅(qū)動眼部微動傳感器巧妙地固 定在眼鏡架上,并做到位置可微調(diào),對比傳統(tǒng)的眼電傳感器將多電極貼在眼部 附近,不僅美觀舒適、成本低廉和操作簡單,而且采集的信號靈敏度高,信號 輸出穩(wěn)定可靠。 (3) 摩擦電和靜電感應耦合的傳感技術(shù),采用的單電極信號采集,直 接采集微運動引起的電信號,從信號采集源頭上突破了傳統(tǒng)的生物電信號采集 弊端(采集多電極間勢差變化信號),可提高傳感器的靈敏度數(shù)百倍。因此,避 免了傳統(tǒng)眼電系統(tǒng)中精準識別算法的開發(fā)和嚴格操作技術(shù)的培訓等。市場及經(jīng)濟效益分析: 基于摩擦納米發(fā)電技術(shù)的微動傳感器制作成本低廉,因其高靈敏度和 可靠性帶來的后端設(shè)備簡化,以及其操作的簡易性和侃戴的美觀舒適性,都 將促成該項研究成果走出實驗室服務于廣大群眾,特別是渴望與外界因此具有非常大的市場價值。恢復交流的特殊疾病患者們,而這一群體在中國高達20 萬人并有逐年上升的趨勢。
重慶大學
2021-04-11