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  通過(guò)醫(yī)學(xué)或技術(shù)進(jìn)行人體增強(qiáng)可恢復(fù)或增強(qiáng)人類(lèi)的能力，從而有助于改善人們的生活質(zhì)量。在醫(yī)療方面的人體增強(qiáng)，如植入醫(yī)療設(shè)備、基因編輯和攝入體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)，這些依靠侵入性方法來(lái)可以改善或修復(fù)身體機(jī)能。然而，在體內(nèi)操作的侵入性方法不容易直接觀(guān)察，一旦失去療效，就不能隨時(shí)更換，從而增加了不可控的風(fēng)險(xiǎn)和醫(yī)療更換成本。智能電子設(shè)備與人工智能（AI）相結(jié)合可以構(gòu)成高效的人機(jī)界面以增強(qiáng)或擴(kuò)展人類(lèi)感知外界或與外界互動(dòng)的能力。與侵入模式相比，佩戴智能電子設(shè)備進(jìn)行人體增強(qiáng)作為一種非侵入模式可以顯著降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。然而，由剛性和易碎材料制成的傳統(tǒng)電子設(shè)備在佩戴時(shí)會(huì)引起不適和尷尬。織物電子設(shè)備往往會(huì)融入衣物中，可以作為人體增強(qiáng)的非侵入性輔助手段。由于織物的靈活性和舒適性，這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自由和舒適的互動(dòng)體驗(yàn)。為了滿(mǎn)足人體增強(qiáng)的強(qiáng)勁發(fā)展需求，織物電子設(shè)備應(yīng)確保靈活性、可切割性、高度穩(wěn)定的觸摸靈敏度和快速響應(yīng)以及可擴(kuò)展的功能，即使在佩戴過(guò)程中發(fā)生變形時(shí)，也能根據(jù)指定的指令進(jìn)行人機(jī)交互。

  為了實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)功能，一種策略是采用集成分立傳感器單元的方法。通過(guò)打印的方法，可以制造具有分層分布微結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器，并將其應(yīng)用于觸覺(jué)面板的離散傳感單元中，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。分立式傳感器單元集成的柔性設(shè)備在佩戴在身體上時(shí)會(huì)彎曲和變形。這樣，它們的電信號(hào)可能會(huì)改變或丟失，因此設(shè)備無(wú)法根據(jù)原始指令可靠地與機(jī)器交互。由于織物結(jié)構(gòu)的柔軟性和透氣性，因此是用織物基是柔性電子一種的重要方法。通過(guò)交叉尋址，織物電子單元被編織到衣服中，并通過(guò)交錯(cuò)的電線(xiàn)連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)物體的分類(lèi)。這種觸摸信號(hào)的檢測(cè)就需要大量的布線(xiàn)。但是應(yīng)該注意的是，遍布全身的大量復(fù)雜導(dǎo)線(xiàn)會(huì)限制織物固有的生理舒適性，并阻礙人體自由運(yùn)動(dòng)。此外，考慮到適應(yīng)不同人的行為和個(gè)人互動(dòng)模式，織物電子設(shè)備需要具有可編程性和可重構(gòu)性，即形狀可以定制、功能可以改變、結(jié)構(gòu)可以重新配置。 因此，目前織物電子設(shè)備的進(jìn)展與人體增強(qiáng)的實(shí)際需求之間存在鮮明的對(duì)比。除了可編程性和可重構(gòu)性外，織物電子設(shè)備還需要高性能和多樣性，以便滿(mǎn)足個(gè)性化的交互需求。

本文亮點(diǎn)

  1.本工作采用了織物基材料，開(kāi)發(fā)了一種基于電氣平行雙側(cè)結(jié)構(gòu)的可編程智能織物觸摸傳感器（IP織物傳感器），可賦予人類(lèi)與外界互動(dòng)的能力；

  2.該IP織物傳感器實(shí)現(xiàn)了感知-傳輸-識(shí)別一體化功能，具有微秒級(jí)別的響應(yīng)時(shí)間（<400 us）和超高的穩(wěn)定性（>20000次循環(huán)測(cè)試），可以快速且穩(wěn)定地用于人機(jī)交互。

  3.該IP織物傳感器具有彎曲不敏感性，即使貼合于衣物上，也不會(huì)明顯改變器件的信號(hào)，因此可以將其自由穿戴用于外界交互；

  4.該IP織物傳感器具有可重構(gòu)性，可以通過(guò)裁剪、拼接的方式來(lái)拓展新的功能。

圖1.多功能 IP 織物傳感器的設(shè)計(jì)概述。（a） 與IP織物傳感器集成的多功能交互系統(tǒng)的概念功能。（b） IP織物傳感器示意圖。（c） IP織物傳感器的工作原理和相應(yīng)的等效電路。（d） IP織物傳感器的可重構(gòu)性：（i） IP織物傳感器的可切割性和可擴(kuò)展性，以及（ii）IP織物傳感器的可修復(fù)性。（e） 不同放大倍率下純棉織物的FESEM圖像。（f） 不同放大倍率下涂有碳納米管的織物形態(tài)的FESEM圖像。（g） 各種形狀的IP織物傳感器的形狀具體展示。

圖2. IP織物傳感器性能和電輸出特性的系統(tǒng)研究。（a） IP 織物傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。（b） 不同去離子水與碳納米管溶液重量比下導(dǎo)電織物條的電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系。（c） 在 IP 織物傳感器的不同位置測(cè)量的 I–V 曲線(xiàn)。（d） IP織物傳感器不同位置的電響應(yīng)。（e） IP 織物傳感器處于不同狀態(tài)時(shí)響應(yīng)電阻與位置的關(guān)系。（f） IP 織物傳感器的可切割性。（g） IP 織物傳感器的可修復(fù)性。

圖3. 基于方形IP織物傳感器的閉環(huán)互動(dòng)娛樂(lè)系統(tǒng)。(a) 閉環(huán)互動(dòng)娛樂(lè)系統(tǒng)直接控制示意圖。(b) 閉環(huán)互動(dòng)娛樂(lè)系統(tǒng)的工作流程。(c) 方向控制器示意圖。(d) 方形IP織物傳感器中每個(gè)角在不同狀態(tài)下的電壓響應(yīng)。(e) 方形IP織物傳感器的長(zhǎng)期連續(xù)觸碰電壓信號(hào)。(f) 快速觸碰IP織物傳感器時(shí)發(fā)出的指令。(g) 交互界面在執(zhí)行不同指令時(shí)的操作。

圖4. 基于條形 IP 織物傳感器的智能家居系統(tǒng)。(a)智能家居系統(tǒng)的示意圖。(b) 智能家居系統(tǒng)的電路圖。(c) 顯示 （i） 燈、（ii） 門(mén)、（iii） 風(fēng)扇、（iv） 窗戶(hù)和 （v） 鈴鐺的控制。鈴鐺開(kāi)機(jī)后繼續(xù)工作一段時(shí)間，然后自動(dòng)關(guān)閉。

圖5. 基于S形IP織物傳感器的用戶(hù)識(shí)別和驗(yàn)證系統(tǒng)。（a） 用戶(hù)識(shí)別和驗(yàn)證系統(tǒng)流程示意圖。（b）S形IP織物傳感器以不同數(shù)字序列輸入的不同用戶(hù)的響應(yīng)電壓。（c） 當(dāng)不同用戶(hù)輸入相同的數(shù)字序列時(shí)，S 形 IP 織物傳感器的響應(yīng)電壓。（d） 1D CNN的最終結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，用于識(shí)別三個(gè)用戶(hù)。（e） 一維 CNN 模型的精度（無(wú)量綱）。（f） 訓(xùn)練過(guò)程中 1D CNN 模型的損失（無(wú)量綱）。（g） 測(cè)試集的混淆矩陣。

論文信息

第一作者：Zihan Chen

通訊作者：Xinqin Liao，Zhong Chen

通訊單位：廈門(mén)大學(xué)

期刊：Advanced Fiber Materials，IF 16.1，一區(qū)TOP

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00350-z