Science Advances: 基于柔性多功能电子器件的可穿戴人机界面

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可穿戴的人机界面（Human-Machine Interfaces, HMI），可以直接串联人与机器之间的协作。这些可穿戴器件能够感知佩戴者身体的电学信号，同时使机器能够执行相应的特定功能。人和机器之间的互动，理解和沟通使二者的团队合作更紧密。因此，未来的可穿戴柔性HMI器件不仅需要应用在人上，也需要用于机器上，形成人体感应-机器驱动-信号反馈的闭环路径。

最近在电子，材料和机械设计领域的发展为未来可穿戴HMI器件的实现提供了一些可能的方法。例如，通过柔性互联线连接的传统电子芯片和传感器的设计来实现机械柔性。这些可穿戴的HMI器件大多不具有足够的柔软度，使用起来不舒服，限制人体的运动，而且不能适应人体动态运动时的变形。基于弹性材料和通过设计硬材料的机械结构实现的软特性的方法制备的可穿戴的柔性HMI器件在机械柔软性方面具有一定优势，然而它们也面临一些技术性挑战，例如，为了实现多种功能，如传感，切换，激励和数据存储等，将用到很多不同的电子功能材料和异构集成技术，例如转印，等等。这些技术通常涉及制造工艺复杂，跟传统工艺不兼容，成本高。

最近，美国休斯顿大学（University of Houston）的余存江 (Cunjiang Yu) 教授课题组制备了一种超薄，可伸缩和可穿戴的柔性多功能HMI器件，用以佩戴在人体皮肤上以捕获多种物理数据同时佩戴者不易察觉，同时也贴在机器手上以感知交互的对象并提供智能反馈，进而形成闭环HMI。相关研究以“Metal Oxide Semiconductor Nanomembrane based  Soft Unnoticeable Multifunctional Electronics for Wearable Human-Machine Interfaces” 为题发表在《Science Advances》上，并被选为2019年8月刊的封面。

图1. Science Advances封面

图2. 闭环人机界面的示意图

报道的可穿戴的柔性多功能HMI器件基于氧化铟锌（IZO）半导体纳米薄膜。该半导体纳米膜在柔性聚合物上通过溶胶-凝胶低温工艺实现，该工艺有望实现大规模生产制造。通过一步法制备的多种电子器件和传感器，包括用于用于接口和开关电路的场效应晶体管（FET），数据存储的电阻随机存取存储器（ReRAM），应力，温度，紫外光（UV）传感器和微米加热器。这些器件采用超薄（3-4微米）和蛇形网格结构，使其具有机械可拉伸性（在30%的拉伸下器件仍然稳定工作）。同时，穿戴者在提取有用信号时而几乎无法察觉到该器件的存在。

图3. 应用在人体上的柔性多功能HMI器件

可穿戴的柔性多功能HMI器件可实现形成人体感应-机器驱动-信号反馈的闭环路径，其中可穿戴器件从人体肌肉收集信号，直接引导机器人，并允许用户感受来自机器人手反馈的体验。可穿戴的柔性多功能HMI器件的另一个重要应用是人体运动模拟，用于人们无法进入的危险场所，例如火灾现场或 放射性污染区，或虚拟现实应用，其中虚拟角色可由身体上的传感器控制。

图4. 通过可穿戴HMI器件实现的人机闭合协作

以上文章的通讯作者为休斯顿大学的Bill Cook副教授余存江，该工作由余教授课题组以及科罗拉多大学波尔得分校（University of Colorado, Boulder）的肖建亮（Jianliang Xiao）教授课题组合作而成。文章的第一作者是休斯顿大学余教授课题组的博士后Kyoseung Sim博士，其他作者包括余教授课题组的饶州铝， Faheem Ershad, Anish Thukral, 雷建明，肖教授课题组的周怍男，以及中国东南大学的陈洁和黄庆安教授，等等。

文章信息

Kyoseung Sim, Zhoulyu Rao, Zhanan zhou, Faheem Ershad, Jianming Lei, Anish Thukral, Jie Chen,  Qing-An Huang, Jianliang Xiao, and Cunjiang Yu*, Metal oxide semiconductor nanomembrane based soft unnoticeable multifunctional electronics for wearable human-machine interfaces, Science Advances, 5, eaav9653, 2019. https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaav9653 
全文PDF链接：http://yu.me.uh.edu/wp-content/uploads/2019/08/Sci-Adv-eaav9653.main-SI.pdf  

点击左下角“阅读原文”查看论文原文。

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