相比于Windows系統(tǒng)，蘋果所使用的MacOS系統(tǒng)始終有一個(gè)優(yōu)勢被人所稱道，那就是極佳的人機(jī)交互體驗(yàn)，比如MacBook系列的觸控板，通過內(nèi)置諸多操控手勢，即便不是用鼠標(biāo)，用戶也能用觸控板輕松地完成放大、縮小、后臺(tái)切換等各種操作。對于蓬勃發(fā)展的可穿戴式人機(jī)交互界面而言，這樣的功能同樣也是廣大消費(fèi)者和研究人員所追求的。在未來的人機(jī)交互過程中，必然會(huì)涉及到更多、更復(fù)雜的操作，然而由于傳統(tǒng)的觸控式操作并不會(huì)在觸控板上提供直觀地視覺信號(hào)，使用戶能清晰地辨別所進(jìn)行的操作，因而操作的精度受到限制，不能滿足手勢設(shè)計(jì)的需求。
為了給用戶提供直觀的視覺信號(hào)，研究人員首先把薄膜晶體管、壓力傳感器和OLED融合在一起，制備了第一款通過視覺信號(hào)進(jìn)行交互的交互式觸控裝置。此后，可拉伸、變色的觸覺傳感器以及基于電致發(fā)光現(xiàn)象的電子皮膚被逐漸開發(fā)出來，然而這些設(shè)備都需要外部電源來進(jìn)行供電，其便攜性和集成性都較差。盡管基于摩擦起電和力致發(fā)光現(xiàn)象的自供電的光/電雙模式壓力傳感器被開發(fā)出來，但是力致發(fā)光所需要的壓力遠(yuǎn)大于人類觸碰的壓力范圍（100 kPa）。
近日，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張躍院士與廖慶亮教授團(tuán)隊(duì)在介電層摻雜了ZnS半導(dǎo)體的摩擦納米發(fā)電機(jī)中發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的發(fā)光機(jī)理：摩擦起電-發(fā)光機(jī)理。這種發(fā)光現(xiàn)象不需要外部電源的支持，在一般觸碰力度下（20 kPa）就能產(chǎn)生肉眼可見的光，并同時(shí)輸出可探測的電壓。將該摩擦納米發(fā)電機(jī)與單片機(jī)相連，就可以得到能識(shí)別156種操控手勢的觸控平臺(tái)。該成果以“Self-powered user-interactive electronic skin for programmable touch operation platform”為題發(fā)表在《Science Advances》上。
1. 自供電交互式電子皮膚的材料與結(jié)構(gòu)
自供能交互式電子皮膚由熒光介電層、電極（Al）、絕緣層（Kapton）、屏蔽層（Al）和基底（PDMS）構(gòu)成，屬于單電極式的摩擦納米發(fā)電機(jī)。其核心是熒光介電層，由Al摻雜的ZnS:Cu半導(dǎo)體熒光材料和高分子前驅(qū)體通過共混、固化得到。上述結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性，其發(fā)光強(qiáng)度在1200彎曲測試中仍保持穩(wěn)定。
2. 摩擦起電-發(fā)光的模型解釋
摩擦起電-發(fā)光現(xiàn)象本質(zhì)可認(rèn)為是先通過摩擦起電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電場，接著在電場作用下引發(fā)電致熒光。具體來說，在磨擦后，手指帶正電，熒光介電層表面帶負(fù)電，當(dāng)手指和介電層逐漸分離時(shí)，電極中會(huì)積累正電荷，在介電層產(chǎn)生一個(gè)電場，逐漸吸引電子向電極運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中激活熒光中心，產(chǎn)生第一次熒光發(fā)射。當(dāng)手指再次按壓時(shí)，電極上的正電荷逐漸釋放，使介電層中的電場消失，電子隨即從底部釋放出來，在此過程中再次激活熒光中心，產(chǎn)生第二次熒光。與此同時(shí)，外電路中會(huì)存在靜電感應(yīng)激起的瞬時(shí)電流。
3. 自供能交互式電子皮膚的性能優(yōu)化
一般而言，在相同的壓力下，尤其是在較小的壓力下，發(fā)光強(qiáng)度越高，輸出電壓越大，作為交互式觸摸板的性能越好。由于輸出電壓和光都是由摩擦生電效應(yīng)造成的，并且產(chǎn)生的電場越大，輸出越高，因而首先要做的是提高摩擦生電的效率。目前優(yōu)化摩擦生電效率的普遍方法是選用表面電子束縛能力差距較大的材料（圖3A、B）和通過表面微納處理增加接觸面積（圖3D）。
另一個(gè)需要優(yōu)化的是發(fā)光和生電的相對強(qiáng)度。影響相對強(qiáng)度的因素主要包括：ZnS和Ecoflex的質(zhì)量比以及復(fù)合介電層的厚度。提高光強(qiáng)的根本在于提高單位面積上熒光中心的密度，想要提高其密度，可以增加復(fù)合介電層的厚度或是提高ZnS的濃度。然而由于ZnS是半導(dǎo)體，當(dāng)提高ZnS濃度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電屏蔽，降低電壓輸出；當(dāng)增加厚度時(shí)，又會(huì)由于靜電感應(yīng)距離增加，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓減小。
盡管發(fā)光強(qiáng)度越高越好，但是為保證輸出電壓在可檢測范圍內(nèi)取得較高的準(zhǔn)確度，必須要求輸出電壓高于某一閾值，減少噪音干擾，同時(shí)還不能高于單片機(jī)的參比電壓，避免擊穿。對于文中所采用的單片機(jī)系統(tǒng)，輸入信號(hào)大于0.5 V的時(shí)候就能夠屏蔽絕大部份干擾，其上限則為3.3V。當(dāng)自供能交互式電子皮膚的輸出電壓為40 V時(shí)，在微控制器上的分壓大約為0.27V，滿足上述需求。依據(jù)上述要求，對熒光介電層中ZnS和Ecoflex的質(zhì)量比優(yōu)化為1:1，厚度500 μm。
4. 構(gòu)建可編程的觸控平臺(tái)
基于此類能提供直觀的視覺反饋的自供能電子皮膚，研究人員構(gòu)筑了能識(shí)別156種手勢的觸控平臺(tái)。當(dāng)把這一平臺(tái)用于操控音樂播放器時(shí)，系統(tǒng)能很輕松地識(shí)別并完成0.5倍速、23倍速、播放、暫停等多種操作。此外，這一平臺(tái)還能計(jì)算在不同觸覺感應(yīng)點(diǎn)間手指的移動(dòng)速度，進(jìn)一步豐富了該平臺(tái)潛在的操作指令。
5. 總結(jié)
利用摩擦起電-發(fā)光這一獨(dú)特的現(xiàn)象，研究人員把發(fā)光所需要的壓力閾值降低至傳統(tǒng)力致發(fā)光的1%（20 kPa），再結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓輸出和觸覺傳感能力，成功地制備出了可用于觸控平臺(tái)的自供能交互式電子皮膚。光學(xué)和電學(xué)信號(hào)的同時(shí)輸出能在操控電子設(shè)備的同時(shí)給用戶直觀地反饋，使其在未來的人機(jī)交互領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
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