摘要

近期，廈門大學(xué)陳忠、廖新勤教授團(tuán)隊在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“MultifunctionalandReconfigurable Electronic Fabrics Assisted byArtificialIntelligence forHuman Augmentation”的研究成果。本工作提出的智能可編程的（IP）織物傳感器由粘附有碳納米管的織物構(gòu)成，其具有可重構(gòu)、可彎曲、感知傳輸信號一體化和穩(wěn)定性強（>20000個周期）等優(yōu)點，可實現(xiàn)靜/動態(tài)觸摸的微秒級別響應(yīng)（400 μs），實現(xiàn)了閉環(huán)人機交互娛樂系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)以及行為特征交互識別，有望用于智能控制、現(xiàn)實和多模式交互等領(lǐng)域。

正文

穿戴織物電子器件與外界交互作為非侵入性交互技術(shù)是一種提高生活質(zhì)量的理想方法。然而，織物電子器件在用于穿戴時存在著彎曲時信號失真、布線復(fù)雜的缺點。此外，為了適應(yīng)不同人的行為和交互方式，織物電子器件需要具有可編程性和可重構(gòu)性。因此，當(dāng)前織物電子器件的進(jìn)展與人體增強的實際需求之間存在著鮮明的差距。

如圖1a所示，IP織物傳感器附著在衣物上與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)多功能交互系統(tǒng)。圖1b顯示了IP織物傳感器的結(jié)構(gòu)，其可以識別不同位置的觸摸信息。該傳感器的工作原理是當(dāng)手指觸摸在導(dǎo)電織物的不同位置時，會產(chǎn)生可識別的電阻，通過判斷不同的電阻值就可以判斷觸摸是否發(fā)生以及觸摸發(fā)生的位置(圖1c)。圖1d展現(xiàn)了IP織物傳感器的可重構(gòu)性，經(jīng)裁剪后可修復(fù)或拓展成新的形狀。該IP織物傳感器以吸附碳納米管(圖1f)的純棉纖維(圖1e)為主要傳感材料，其濃度和形狀可定制化(圖1g)。

圖1多功能IP織物傳感器的設(shè)計

為了評估IP織物傳感器的性能，圖2對其性能及電輸出特性進(jìn)行了測試。經(jīng)過比較后，當(dāng)厚度為0.15 mm的織物作為基底， IP織物傳感器響應(yīng)時間可以低至400 μs(圖2a)。隨后對IP織物傳感器的時空動態(tài)邏輯性能進(jìn)行了測試，證明了該IP織物傳感器能感知人體靜態(tài)觸碰(圖2c)和動態(tài)觸碰(圖2d)。此外，該IP織物傳感器在彎曲時，其電阻變化不明顯，表明其具有較好的彎曲不敏感性(圖2e)。圖2f和圖2g展示了該IP織物傳感器可以被裁剪和修復(fù)，證明了該傳感器具有可重構(gòu)性。

圖2 IP織物傳感器的性能和電輸出特性

利用方形IP織物傳感器可以搭建一個閉環(huán)互動娛樂系統(tǒng)。通過觸摸IP織物傳感器將命令傳遞至交互界面，隨后界面執(zhí)行命令并通過視覺反饋給人，以此完成閉環(huán)交互(圖3a-3c)。從圖3d-3f可以看出該IP織物傳感器在彎曲、長時間觸碰和短時間觸碰時都有穩(wěn)定的信號傳遞，展示了該傳感器在交互系統(tǒng)中的潛力。

圖3 基于方形IP織物傳感器的閉環(huán)互動娛樂系統(tǒng)

將條形IP織物傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以搭建一個智能家居系統(tǒng)。通過觸摸IP織物傳感器將命令無線傳遞至家具以完成對物體的遠(yuǎn)程操控 (圖4a)。圖4b是驗證該系統(tǒng)的電路模型，實現(xiàn)了對4c(i)燈、4c (ii)門、4c (iii)風(fēng)扇、4c (iv)窗和4c (v)門鈴的遠(yuǎn)程控制。

圖4基于條狀I(lǐng)P織物傳感器的智能家居系統(tǒng)

用戶識別與驗證系統(tǒng)可以利用S形IP織物傳感器結(jié)合人工智能技術(shù)來實現(xiàn)。圖5a是該系統(tǒng)的流程圖，主要包括特征采集、信號轉(zhuǎn)換、模型訓(xùn)練和身份認(rèn)證四個過程。圖5b顯示了不同用戶的輸入，這些輸入不僅在觸摸位置(ΔP)上不同，而且在觸摸間隔(Δt1)和觸摸持續(xù)時間(Δt2)上也不同。用戶識別和驗證系統(tǒng)通過啟動具有相同數(shù)字序列的觸摸事件來顯示觸摸位置的無差別特征，從而對Δt1和Δt2維度進(jìn)行驗證(圖5c)。通過結(jié)合1DCNN模型(圖5d)，實現(xiàn)了用戶識別認(rèn)證系統(tǒng)。該認(rèn)證系統(tǒng)達(dá)到了超過99%的準(zhǔn)確率(圖5e-5f)。

圖5基于S形IP織物傳感器的用戶識別與認(rèn)證系統(tǒng)

展望

這項研究展示了一種IP織物傳感器來實現(xiàn)人體增強的交互能力。采用平面內(nèi)的電雙邊結(jié)構(gòu)設(shè)計這種IP織物傳感器，實現(xiàn)了感應(yīng)觸摸、識別觸摸位置和傳輸信號的多功能一體化。這種結(jié)構(gòu)具有不與外部導(dǎo)電物體接觸時節(jié)能的優(yōu)點，并最大限度地減少因器件變形而產(chǎn)生的錯誤信號。單層傳感結(jié)構(gòu)和薄厚度使得這種IP織物傳感器具有可重構(gòu)性、柔性和彎曲不敏感性，可以滿足個性化和多樣化的交互系統(tǒng)的要求。通過推進(jìn)與IP織物傳感器集成的交互式系統(tǒng)，將為解鎖新的人體增強技能提供可能。

審核編輯：劉清