串联人机协作的可穿戴人机界面

可作为智能反馈的机器皮肤，灵活模拟人体反应，实时完成人机交互

●创新点

电子、材料和机械设计的最新发展为可穿戴人机界面（HMI）设备提供了一些可利用的条件，但仍存在一定的不足。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可以实现所需的电气和传感功能，但它的机械柔软性不够，限制了人体的运动及人体动态运动时所需的变形性能。弹性电子材料能够满足变形、可伸缩性能的要求，为构建可伸缩的可穿戴人机界面设备提供了一种替代方案。然而，这些电子材料的响应时间较慢，并在循环变形后具有巨大的滞变现象。无机材料表现出快速的响应时间及可忽略的滞变现象，但这些无机材料具有不可拉伸的机械特性。

此外，在实现可穿戴人机界面的多功能方面也面临技术上的挑战。例如，要实现传感、交换、数据存储等多种功能，需要多种不同类型的电子功能材料，并采用传输打印等异构集成技术。这些技术的实现需要复杂的制造过程、较高的成本及兼容的工艺。现有的可穿戴人机界面设备也许还不能解决上述问题。

美国得克萨斯超导中心的余存江教授课题组制备了超薄，具有伸缩性的、用于佩戴在人体皮肤以捕获多种物理数据的柔性多功能HMI。相关研究成果于2019年8月2日发表在国际期刊《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上。

●方法和结果

余存江教授课题组制备的超薄、可伸缩及可穿戴的柔性多功能HMI包括用于存储数据的电阻随机存取存储器（RERAM），用于接口和开关电路的场效应晶体管（FET），用于身体运动传感的应变传感器、温度传感器及微型加热器。这些器件是同时制造的，不需要组合多个功能材料，也不需要过多的异构集成步骤。这些装置是以超薄（3～4微米）和狭窄的弯曲蛇形开放式网状结构建造的，使得穿戴者在接收信号反馈时几乎察觉不到它的存在。通过以上各种感知器件，这种HMI会在人体的皮肤上捕捉多个物理数据并进行感知，提供智能反馈，形成一个闭环的人机交互界面。

应用前景

基于氧化铟锌（IZO）半导体纳米薄膜的HMI不仅可以在人体皮肤上实现无缝且牢固的黏合，还可以作为智能反馈的机器皮肤，灵活模拟人体反应，实时完成人机交互，通过这种人机闭环回路实现了人体运动的虚拟，串联了人机之间的协作。在某些特定情况下，这项设备可以以虚拟角色的身份完成人类无法完成的危险动作，通过可控方式实现最佳的完成效果。

Source：SIM K, RAO Z, ZOU Z, et al. Metal oxide semiconductor nanomembrane-based soft unnoticeable multifunctional electronics for wearable humanmachine interfaces[J]. Science Advances, 2019, 5(8): eaav9653.