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异构集成重磅!可穿戴式人机界面的福音,超薄可拉伸电子器件

可穿戴式人机界面(HMI)作为人与机器之间的直接通信路径,是一类重要的设备,它能让人类跟机器人以及其他电子设备进行交互,实现人机之间的团队协作。它们主要检测来自佩戴者的物理或生理参数,然后使机器相应地执行特定功能。虽然目前的技术水平正在变得越来越流行,但现有的大多数可穿戴HMI设备佩戴起来却显得有些笨重、响应时间慢而且性能会随着使用时间的增长而下降。而少数可用的灵活HMI一次只能执行一项功能,比如数据存储、传感、切换等。亮点美国休斯顿大学的余存江课题组打造了一款超薄、微型、可伸缩的HMI设备,这款可穿戴式设备的厚度仅仅只有不到4微米,整个结构只使用了一种材料,但却包含了晶体管,RRAM存储单元,应变传感器,紫外光检测器,温度传感器和加热器。这究竟是怎么做到的呢?

这种设备是基于一步成型的溶胶-凝胶-聚合物-处理的氧化铟锌(IZO)半导体纳米膜电子器件。多功能设备可以通过一步解决方案处理同时形成,而无需任何异构集成过程。如图1所示,这款设备非常薄、非常灵活,所以佩戴者可以几乎察觉不到它的存在。同时,这款HMI可穿戴设备不仅具备多功能性,而且还允许用户自然地运动。

图1. 超薄多功能HMI设备的示意性分解图。HMI设备可以由人类无缝佩戴3-4μm的超薄厚度和蛇形网格形状的优点使得无需额外粘合剂的帮助,可以在物体(如人体皮肤)上实现无缝且牢固的粘合。如图2所示,即使皮肤经历各种变形模式,例如压缩和拉伸,也未观察到明显的分层。

图2. 在机械变形下人体皮肤上的装置图人体运动模拟HMI设备不仅可以由人类无缝佩戴,还可以作为机器人的假肢皮肤实现,它能够通过佩戴在人体皮肤上以捕获多个物理数据,将人体的动作指令或其他命令引导给机器人,并在机器人上接收智能反馈,从而形成闭环HMI。HMI可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域,或虚拟现实应用,其中虚拟角色可由身体上的传感器控制。

人体运动模拟过程可穿戴式闭环HMI系统其次,基于机器人手上的IZO温度传感器的假体皮肤能够检测外部环境或被抓物体的温度,该温度又确定施加到人体皮肤上的微加热器的适当电压。该微加热器产生适当的热量,该热量等于机器人手上的传感器检测到的温度。这也说明了假体皮肤和可穿戴温度传送装置一起实现交互式闭环HMI系统。如图4所示,机器人手上的假体皮肤的感测特性通过重复保持和释放人手的间隔来表征。

温度传感器接触人手。 该项目的负责人余存江博士所说:“传统上,要实现多种功能,可能需要将多种材料或多个芯片集成在一起。但现在使用一种材料就可以做到这一切。”这种装置没有创可贴那么显眼,它只有几微米厚。这种可拉伸设备为低成本、可穿戴的HMI设备铺平了道路,该设备能够与佩戴者无缝且稳固地连接,使可穿戴式HMI设备具有多功能性、舒适性和便利性,可增强人与机器之间的交互和组合,因此,该设备将有潜力成为机器人手或其他机器人设备的假肢皮肤。HMI在医疗方面也能够得到很好地应用,将来有可能仅通过握手就能推断出病人的身体状况。另外,它还可以帮助人类通过机器人处理对人类存有危险的材料。因此,我们相信这项技术的应用未来能够更好地改变我们的生活。相关论文以“Metal oxide semiconductor nanomembrane–based soft unnoticeable multifunctional electronics for wearable human-machine interfaces”为题,发表在《Science》子刊《Science Advances》上,并被选为8月刊封面。

原文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaav9653

· 2019-08-28 11:45  本新闻来源自:高分子科学前沿,版权归原创方所有

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