智能可編程織物傳感器有望用于智能控制、現(xiàn)實(shí)和多模式交互等領(lǐng)域

摘要

近期，廈門大學(xué)陳忠、廖新勤教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“MultifunctionalandReconfigurable Electronic Fabrics Assisted byArtificialIntelligence forHuman Augmentation”的研究成果。本工作提出的智能可編程的（IP）織物傳感器由粘附有碳納米管的織物構(gòu)成，其具有可重構(gòu)、可彎曲、感知傳輸信號(hào)一體化和穩(wěn)定性強(qiáng)（>20000個(gè)周期）等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)靜/動(dòng)態(tài)觸摸的微秒級(jí)別響應(yīng)（400 μs），實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)人機(jī)交互娛樂(lè)系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)以及行為特征交互識(shí)別，有望用于智能控制、現(xiàn)實(shí)和多模式交互等領(lǐng)域。

正文

穿戴織物電子器件與外界交互作為非侵入性交互技術(shù)是一種提高生活質(zhì)量的理想方法。然而，織物電子器件在用于穿戴時(shí)存在著彎曲時(shí)信號(hào)失真、布線復(fù)雜的缺點(diǎn)。此外，為了適應(yīng)不同人的行為和交互方式，織物電子器件需要具有可編程性和可重構(gòu)性。因此，當(dāng)前織物電子器件的進(jìn)展與人體增強(qiáng)的實(shí)際需求之間存在著鮮明的差距。

如圖1a所示，IP織物傳感器附著在衣物上與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多功能交互系統(tǒng)。圖1b顯示了IP織物傳感器的結(jié)構(gòu)，其可以識(shí)別不同位置的觸摸信息。該傳感器的工作原理是當(dāng)手指觸摸在導(dǎo)電織物的不同位置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可識(shí)別的電阻，通過(guò)判斷不同的電阻值就可以判斷觸摸是否發(fā)生以及觸摸發(fā)生的位置(圖1c)。圖1d展現(xiàn)了IP織物傳感器的可重構(gòu)性，經(jīng)裁剪后可修復(fù)或拓展成新的形狀。該IP織物傳感器以吸附碳納米管(圖1f)的純棉纖維(圖1e)為主要傳感材料，其濃度和形狀可定制化(圖1g)。

圖1多功能IP織物傳感器的設(shè)計(jì)

為了評(píng)估IP織物傳感器的性能，圖2對(duì)其性能及電輸出特性進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)比較后，當(dāng)厚度為0.15 mm的織物作為基底， IP織物傳感器響應(yīng)時(shí)間可以低至400 μs(圖2a)。隨后對(duì)IP織物傳感器的時(shí)空動(dòng)態(tài)邏輯性能進(jìn)行了測(cè)試，證明了該IP織物傳感器能感知人體靜態(tài)觸碰(圖2c)和動(dòng)態(tài)觸碰(圖2d)。此外，該IP織物傳感器在彎曲時(shí)，其電阻變化不明顯，表明其具有較好的彎曲不敏感性(圖2e)。圖2f和圖2g展示了該IP織物傳感器可以被裁剪和修復(fù)，證明了該傳感器具有可重構(gòu)性。

圖2 IP織物傳感器的性能和電輸出特性

利用方形IP織物傳感器可以搭建一個(gè)閉環(huán)互動(dòng)娛樂(lè)系統(tǒng)。通過(guò)觸摸IP織物傳感器將命令傳遞至交互界面，隨后界面執(zhí)行命令并通過(guò)視覺(jué)反饋給人，以此完成閉環(huán)交互(圖3a-3c)。從圖3d-3f可以看出該IP織物傳感器在彎曲、長(zhǎng)時(shí)間觸碰和短時(shí)間觸碰時(shí)都有穩(wěn)定的信號(hào)傳遞，展示了該傳感器在交互系統(tǒng)中的潛力。

圖3 基于方形IP織物傳感器的閉環(huán)互動(dòng)娛樂(lè)系統(tǒng)

將條形IP織物傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以搭建一個(gè)智能家居系統(tǒng)。通過(guò)觸摸IP織物傳感器將命令無(wú)線傳遞至家具以完成對(duì)物體的遠(yuǎn)程操控 (圖4a)。圖4b是驗(yàn)證該系統(tǒng)的電路模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)4c(i)燈、4c (ii)門、4c (iii)風(fēng)扇、4c (iv)窗和4c (v)門鈴的遠(yuǎn)程控制。

圖4基于條狀I(lǐng)P織物傳感器的智能家居系統(tǒng)

用戶識(shí)別與驗(yàn)證系統(tǒng)可以利用S形IP織物傳感器結(jié)合人工智能技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5a是該系統(tǒng)的流程圖，主要包括特征采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、模型訓(xùn)練和身份認(rèn)證四個(gè)過(guò)程。圖5b顯示了不同用戶的輸入，這些輸入不僅在觸摸位置(ΔP)上不同，而且在觸摸間隔(Δt1)和觸摸持續(xù)時(shí)間(Δt2)上也不同。用戶識(shí)別和驗(yàn)證系統(tǒng)通過(guò)啟動(dòng)具有相同數(shù)字序列的觸摸事件來(lái)顯示觸摸位置的無(wú)差別特征，從而對(duì)Δt1和Δt2維度進(jìn)行驗(yàn)證(圖5c)。通過(guò)結(jié)合1DCNN模型(圖5d)，實(shí)現(xiàn)了用戶識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)。該認(rèn)證系統(tǒng)達(dá)到了超過(guò)99%的準(zhǔn)確率(圖5e-5f)。

圖5基于S形IP織物傳感器的用戶識(shí)別與認(rèn)證系統(tǒng)

展望

這項(xiàng)研究展示了一種IP織物傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)人體增強(qiáng)的交互能力。采用平面內(nèi)的電雙邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這種IP織物傳感器，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)觸摸、識(shí)別觸摸位置和傳輸信號(hào)的多功能一體化。這種結(jié)構(gòu)具有不與外部導(dǎo)電物體接觸時(shí)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，并最大限度地減少因器件變形而產(chǎn)生的錯(cuò)誤信號(hào)。單層傳感結(jié)構(gòu)和薄厚度使得這種IP織物傳感器具有可重構(gòu)性、柔性和彎曲不敏感性，可以滿足個(gè)性化和多樣化的交互系統(tǒng)的要求。通過(guò)推進(jìn)與IP織物傳感器集成的交互式系統(tǒng)，將為解鎖新的人體增強(qiáng)技能提供可能。

審核編輯：劉清