相比于Windows系统,苹果所使用的MacOS系统始终有一个优势被人所称道,那就是极佳的人机交互体验,比如MacBook系列的触控板,通过内置诸多操控手势,即便不是用鼠标,用户也能用触控板轻松地完成放大、缩小、后台切换等各种操作。对于蓬勃发展的可穿戴式人机交互界面而言,这样的功能同样也是广大消费者和研究人员所追求的。在未来的人机交互过程中,必然会涉及到更多、更复杂的操作,然而由于传统的触控式操作并不会在触控板上提供直观地视觉信号,使用户能清晰地辨别所进行的操作,因而操作的精度受到限制,不能满足手势设计的需求。

为了给用户提供直观的视觉信号,研究人员首先把薄膜晶体管、压力传感器和OLED融合在一起,制备了第一款通过视觉信号进行交互的交互式触控装置。此后,可拉伸、变色的触觉传感器以及基于电致发光现象的电子皮肤被逐渐开发出来,然而这些设备都需要外部电源来进行供电,其便携性和集成性都较差。尽管基于摩擦起电和力致发光现象的自供电的光/电双模式压力传感器被开发出来,但是力致发光所需要的压力远大于人类触碰的压力范围(100 kPa)。

近日,北京科技大学材料科学与工程学院张跃院士与廖庆亮教授团队在介电层掺杂了ZnS半导体的摩擦纳米发电机中发现了一种独特的发光机理:摩擦起电-发光机理。这种发光现象不需要外部电源的支持,在一般触碰力度下(20 kPa)就能产生肉眼可见的光,并同时输出可探测的电压。将该摩擦纳米发电机与单片机相连,就可以得到能识别156种操控手势的触控平台。该成果以“Self-powered user-interactive electronic skin for programmable touch operation platform”为题发表在《Science Advances》上。

北科大张跃院士/廖庆亮教授《Science》子刊:支持156种手势操作的自供电交互式触控平台

1. 自供电交互式电子皮肤的材料与结构

北科大张跃院士/廖庆亮教授《Science》子刊:支持156种手势操作的自供电交互式触控平台
图 1 自供能交互式电子皮肤的设计与制备

 

自供能交互式电子皮肤由荧光介电层、电极(Al)、绝缘层(Kapton)、屏蔽层(Al)和基底(PDMS)构成,属于单电极式的摩擦纳米发电机。其核心是荧光介电层,由Al掺杂的ZnS:Cu半导体荧光材料和高分子前驱体通过共混、固化得到。上述结构具有良好的力学稳定性,其发光强度在1200弯曲测试中仍保持稳定。

2. 摩擦起电-发光的模型解释

北科大张跃院士/廖庆亮教授《Science》子刊:支持156种手势操作的自供电交互式触控平台
图 2 摩擦起电-发光的模型

 

摩擦起电-发光现象本质可认为是先通过摩擦起电效应将机械能转换成电场,接着在电场作用下引发电致荧光。具体来说,在磨擦后,手指带正电,荧光介电层表面带负电,当手指和介电层逐渐分离时,电极中会积累正电荷,在介电层产生一个电场,逐渐吸引电子向电极运动,并在运动过程中激活荧光中心,产生第一次荧光发射。当手指再次按压时,电极上的正电荷逐渐释放,使介电层中的电场消失,电子随即从底部释放出来,在此过程中再次激活荧光中心,产生第二次荧光。与此同时,外电路中会存在静电感应激起的瞬时电流。

3. 自供能交互式电子皮肤的性能优化

北科大张跃院士/廖庆亮教授《Science》子刊:支持156种手势操作的自供电交互式触控平台
图 3 自供能交互式电子皮肤的光强与输出电压优化

 

一般而言,在相同的压力下,尤其是在较小的压力下,发光强度越高,输出电压越大,作为交互式触摸板的性能越好。由于输出电压和光都是由摩擦生电效应造成的,并且产生的电场越大,输出越高,因而首先要做的是提高摩擦生电的效率。目前优化摩擦生电效率的普遍方法是选用表面电子束缚能力差距较大的材料(图3A、B)和通过表面微纳处理增加接触面积(图3D)。

另一个需要优化的是发光和生电的相对强度。影响相对强度的因素主要包括:ZnS和Ecoflex的质量比以及复合介电层的厚度。提高光强的根本在于提高单位面积上荧光中心的密度,想要提高其密度,可以增加复合介电层的厚度或是提高ZnS的浓度。然而由于ZnS是半导体,当提高ZnS浓度时,会产生更强的静电屏蔽,降低电压输出;当增加厚度时,又会由于静电感应距离增加,进而导致输出电压减小。

尽管发光强度越高越好,但是为保证输出电压在可检测范围内取得较高的准确度,必须要求输出电压高于某一阈值,减少噪音干扰,同时还不能高于单片机的参比电压,避免击穿。对于文中所采用的单片机系统,输入信号大于0.5 V的时候就能够屏蔽绝大部份干扰,其上限则为3.3V。当自供能交互式电子皮肤的输出电压为40 V时,在微控制器上的分压大约为0.27V,满足上述需求。依据上述要求,对荧光介电层中ZnS和Ecoflex的质量比优化为1:1,厚度500 μm。

4. 构建可编程的触控平台

基于此类能提供直观的视觉反馈的自供能电子皮肤,研究人员构筑了能识别156种手势的触控平台。当把这一平台用于操控音乐播放器时,系统能很轻松地识别并完成0.5倍速、23倍速、播放、暂停等多种操作。此外,这一平台还能计算在不同触觉感应点间手指的移动速度,进一步丰富了该平台潜在的操作指令。

5. 总结

利用摩擦起电-发光这一独特的现象,研究人员把发光所需要的压力阈值降低至传统力致发光的1%(20 kPa),再结合摩擦纳米发电机的电压输出和触觉传感能力,成功地制备出了可用于触控平台的自供能交互式电子皮肤。光学和电学信号的同时输出能在操控电子设备的同时给用户直观地反馈,使其在未来的人机交互领域有广泛的应用前景。

全文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/28/eaba4294

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