HMIs在人和機(jī)器之間的交互中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。大多數(shù)現(xiàn)有的可穿戴HMI設(shè)備使用低頻（1-10赫茲）的觸摸或手的動(dòng)作，如輕拍、彎曲和顫振，以向機(jī)器傳遞簡(jiǎn)單的命令。

  HMIs的最新發(fā)展需要高頻信號(hào)檢測(cè)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和物聯(lián)網(wǎng)(iot)，需要對(duì)HMIs進(jìn)行精確和直觀的控制，以傳遞來(lái)自人類(lèi)的各種感官和生物信號(hào)。除了物體的低頻觸覺(jué)映射外，還需要基于高頻振動(dòng)(80-300Hz)檢測(cè)的粗糙度和表面紋理感知，以便機(jī)器人皮膚精確地感知和操作物體。在各種候選的動(dòng)態(tài)傳感器中，摩擦電傳感器(TESs)無(wú)需額外的電源就能在高頻動(dòng)態(tài)刺激下立即響應(yīng)。

  韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)研究所Hyunhyub Ko課題組與Jae Joon Kim課題組合作報(bào)道了一種基于鐵電復(fù)合材料的分層大圓頂/微孔/納米顆粒結(jié)構(gòu)的雙模HMIs的頻率選擇性聲學(xué)和觸覺(jué)傳感器。該傳感器在大范圍的動(dòng)態(tài)壓力和共振頻率范圍內(nèi)顯示出高靈敏度和線性，這使得在寬頻率范圍(145-9000Hz)內(nèi)具有較高的聲頻率選擇性，從而使噪聲無(wú)關(guān)的語(yǔ)音識(shí)別成為可能。

  作者將頻率選擇多通道聲學(xué)傳感器陣列與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對(duì)從100到8000Hz的不同頻率噪聲顯示了超過(guò)95%的精確語(yǔ)音識(shí)別。證實(shí)了雙模傳感器在廣泛的動(dòng)態(tài)壓力范圍下具有線性響應(yīng)和頻率選擇性，有助于區(qū)分表面紋理和控制機(jī)器人同時(shí)使用聲學(xué)和機(jī)械信號(hào)作為輸入，而不受周?chē)肼暤母蓴_。

  圖1：用于動(dòng)態(tài)界面應(yīng)用的分層設(shè)計(jì)的鐵電復(fù)合材料。(A)使用大圓頂(MD)、微孔(MP)和納米顆粒(NPs)的分層結(jié)構(gòu)的TES示意圖。(B)分層鐵電復(fù)合材料的各結(jié)構(gòu)成分對(duì)TESs壓力敏感性的依賴性示意圖。(C)圖顯示了TESs的頻率選擇性取決于分層鐵電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(D)TESs在各種動(dòng)態(tài)接口設(shè)備中的應(yīng)用，包括與噪聲無(wú)關(guān)的語(yǔ)音識(shí)別、紋理感知、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和使用機(jī)械手進(jìn)行接口。

  圖2：分層TESs在動(dòng)態(tài)HMI中的應(yīng)用。(A)HMI應(yīng)用智能手套示意圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的紋理感知和遠(yuǎn)程控制。插圖顯示了具有傳感器、封裝層和膠帶的每個(gè)像素組成。(B)不同線形圖案寬度分別為1.5、1.25、1、0.75mm的目標(biāo)表面紋理的光學(xué)圖像。通過(guò)掃描表面紋理而產(chǎn)生的輸出電流的(C)STFT。(D)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以識(shí)別不同的紋理和表面粗糙度。(E)HMI應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的控制框圖和電子電路。(F)智能手套上的分層TESs的輸出電壓作為彎曲角度的函數(shù)。單位，任意單位。(G)單像素智能手套使用不同彎曲動(dòng)作的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制照片。(H)使用多像素智能手套控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的照片。（I）由聲音驅(qū)動(dòng)的HMI應(yīng)用程序的照片。(J)在分離的工作范圍內(nèi)使用頻率采集來(lái)演示機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。

  作者開(kāi)發(fā)了基于鐵電復(fù)合材料的高線性和靈敏度的TESs，其分層結(jié)構(gòu)包括MD，MP和陶瓷納米顆粒。其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：分層幾何結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了不同模量和高變形能力的非均勻材料界面上的應(yīng)力集中，提供了應(yīng)力極化的線性梯度，這提高了在較寬的動(dòng)態(tài)壓力范圍（0至70kPa）內(nèi)的高靈敏度（36nA/kPa）和線性度（1V/kPa）。

  作者通過(guò)在用于識(shí)別聲波、表面紋理和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)接口設(shè)備中使用它們，演示了所提出的TESs的能力。利用分層TESs的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，TESs的諧振頻率易于調(diào)諧，允許在寬頻率范圍(145至9000Hz)上實(shí)現(xiàn)高聲選擇性。這使得在與噪聲無(wú)關(guān)的語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備的情況下，一個(gè)較高的準(zhǔn)確率超過(guò)95%。此外，TESs的高靈活性和線性響應(yīng)率有助于檢測(cè)和區(qū)分表面的精細(xì)紋理和機(jī)器人手的多功能運(yùn)動(dòng)。因此，分層TESs作為動(dòng)態(tài)接口應(yīng)用的下一代傳感器具有較大的潛力。

參考鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9220