基于TENG的自驱动混合编码器用于人机交互

1、研究背景

第五代移动通信技术（5G）的高速发展，大力推动了物联网技术（IoT）向万物互联的目标迈进。作为物联网构建的基本单元，多功能、分布式、小型化的传感器变得越来越重要。传统的人机界面（HMI）通过增加传感单元来扩展功能，虽满足了生产生活的需求却增加了耗电量和维护费用。现阶段，以摩擦纳米发电机为代表的的自驱动传感器的研发，为减少多余能耗提供了潜在的解决方案。然而，大多数的研究仍聚焦在利用单一的工作模式进行单个变量的检测。单模式的信号在进行信息交互时，器件的超高灵敏度可能会带来“误操作”的干扰以及隐私在内的安全问题。“图形化编码”的研究解决了避免了信号干扰的情况，却引入了额外的空间尺寸，减少了应用场景和范围。

2、文章概述：

为了解决以上问题，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队设计了一种操作简单、安全稳定且具有多种编码能力的自驱动混合摩擦编码器（SHC）用于人机交互。通过自上而下且中空的结构设计，SHC耦合了TENG的单电极模式和接触分离模式，能够实时检测触摸和按压两种动作变量。由动作组合产生的混合编码信号进行信息传递，规避了“误操作”的风险而提高了安全性。并且，SHC作为一个多功能的编码平台，可以产生包括摩斯码和格雷码在内的多种格式的编码信号。作者通过动作编码成功实现了对信号灯和遥控车的控制。此外，少于1g的重量和1cm以内的半径使之能够适应多种应用场景，材料选择和结构设计便于阵列化和微型化的二次开发，为构建跨尺度的多功能触觉传感器和人机界面提供了新的方法。

本文以广西大学、中国科学院北京纳米能源与系统研究所为单位，发表于国际著名期刊《Small Methods》（IF = 14.188）。第一作者为广西大学纳米能源研究中心硕士生曹雨，共同第一作者为中科院北京纳米能源与系统研究所博士生杨圆。

3、图文导读：

图1：自驱动混合编码器的结构、材料、应用及工作模式示意图

以定制的屋顶状不锈钢弹片作为支撑和摩擦层，复合常见的商用材料作为另外的摩擦层和基底，尺寸小且重量轻。自上而下且中空的结构，使触摸和按压产生的信号均稳定可靠。既可以对单独的触摸和按压动作进行识别，也可以在二者的协同模式下进行编码工作，用于智能交互和电子设备的控制。

图2：触摸动作下的信号响应示意图

搭建了合理的信号响应测试平台，测试了SHC在单电极工作模式下，不同的力、频率、耐久性响应信号，得到了该模式下的信号变化规律和稳定性结果。

图3：按压动作下的信号响应示意图

通过改良搭建合理的信号响应测试平台和测试器件，获得了SHC在接触分离工作模式下，不同的力、频率、耐久性响应信号，得到了该模式下的信号变化规律和稳定性结果。

图4：混合信号编码及解码示意图

通过分析和测量，得到了触摸和按压信号在时序上的关系用以进行编码设计。对动作组合进行开发，成功地应用SHC传递了摩斯码信号“TENG2021”以及格雷码信号“0101”。

图5：自驱动混合编码器应用示意图

结合动作编码和解码的分析，探索SHC作为人机界面对电子设备的控制能力。利用设计的信号处理电路和控制电路，以及信号灯板和无线遥控车，成功地实现了对信号灯安全状态和危险警告状态的操作，和遥控车启动和方向变化的控制。

4、结论：

该文报道了一种小型化、操作简单、安全可靠的自驱动混合编码器（SHC）用于人机交互。通过结构设计成功耦合了TENG的单电极模式和接触分离模式，可用于单独识别触摸和按压参数以及混合编码通讯，拓宽了功能性。对动作组合进行开发，SHC可以作为混合编码平台传递不同格式信号，如摩斯码和格雷码。进一步利用编码实现了对电子设备的控制。

这种编码器的设计为构建跨尺度的多功能触觉传感器和人机界面提供了新的方法，为物联网分布式和便携式的多功能自供电传感界面提供了更具体的解决方案。