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基于摩擦纳米发电技术的自驱动感官控制人机交互系统

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。本项目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 (mechnosensationalENG, msTENG),对于该微小运动的探测有极高的灵敏度 (数百倍于同步眼电信号)，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。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，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。关键技术： (1) 基于摩擦纳米发电技术的眼部微动传感器设计(包括工作模式的选择, 摩擦材料、电极材料的选择及加工等)以及器件制作工艺水平，都将直接影响传感器的灵敏度、稳定性、美观舒适性，这在整个系统中是最为关键的技术。 (2) 眼部微动传感器在眼部周围附着方式的设计，需要保证器件的灵敏度、信号的稳定性和操作的方便性，并考虑使用上的舒适美观。这是这项技术能否进入人们实际生产生活的重要因素之一。 (3) 基于眼部微动传感器的人机交互界面的开发，要求功能适用、界面友好、操作简易、性能稳定，便于正常人群和闭锁综合征LLock-in，)患者等特殊人群的使用，这是这项技术具有重要应用前景的关键技术之一。创新点： (1) 首次将基于摩擦电和静电感应耦合的自驱动高灵敏传感器作为替代传统生物电传感器应用于感官控制的人机交互系统，为人工智能领域注入了新的传感器设计理念。 (2) 将基于摩擦电和静电感应耦合的自驱动眼部微动传感器巧妙地固定在眼镜架上，并做到位置可微调，对比传统的眼电传感器将多电极贴在眼部附近，不仅美观舒适、成本低廉和操作简单，而且采集的信号灵敏度高，信号输出稳定可靠。 (3) 摩擦电和静电感应耦合的传感技术，采用的单电极信号采集，直接采集微运动引起的电信号，从信号采集源头上突破了传统的生物电信号采集弊端(采集多电极间势差变化信号)，可提高传感器的灵敏度数百倍。因此，避免了传统眼电系统中精准识别算法的开发和严格操作技术的培训等。市场及经济效益分析：基于摩擦纳米发电技术的微动传感器制作成本低廉，因其高灵敏度和可靠性带来的后端设备简化，以及其操作的简易性和侃戴的美观舒适性，都将促成该项研究成果走出实验室服务于广大群众，特别是渴望与外界因此具有非常大的市场价值。恢复交流的特殊疾病患者们，而这一群体在中国高达20 万人并有逐年上升的趋势。

重庆大学 2021-04-11