自供电，还能防水的人机界面问世

JUN CHEN RESEARCH GROUP/UCLA

在过去几十年中，人机界面（HMI）技术，特别是在可穿戴设备需求的推动下，迅速发展为更小、更轻、更高效、更坚固的形式。今天，我们也有各种自供电HMI，例如使用压电和摩擦电来发电。尽管取得了这些进步，但大多数可穿戴HMI仍然对湿气（如出汗和天气条件）相对缺乏防御能力。

为了解决这个问题，加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院的一个研究团队提出了防水、灵活、低成本皮肤集成人机界面的原型。该装置包括磁弹性传感器阵列，其将环境生物力学运动转换为电信号。他们的研究发表在《应用物理评论》上。

该装置本质上是防水的，生物相容性好，能够将手指按压所产生的力转化为连续的电信号。该团队通过控制音乐播放器和打开和关闭电灯来演示这一点。他们还在各种现实条件下进行了测试，包括喷水、大雨和剧烈体育活动。

由加州大学洛杉矶分校可穿戴生物电子学研究小组的Jun Chen领导的研究人员使用了19世纪60年代发现的磁弹性效应（也称为逆磁约束），描述了机械应力下材料磁化的变化。事实上，目前的研究扩展了该小组早期的工作，证明了软聚合物系统中的磁弹性效应。

Chen表示，传统上能够在刚性金属和金属合金中观察到这种效应的。但2021年，研究人员在其实验室中也观察到了该效应，在一个由大小从微米到纳米的磁铁和聚合物基体组成的软系统中。“与金属和金属合金相比，测量的磁弹性效应增强了五倍。”因此，他们称之为“巨磁弹性效应”。谈到他们目前的工作，他补充道，“我们利用这一发现开发了一种全新的可穿戴人机界面。”

原型是一个4×4厘米的阵列，包括两个组件：多孔硅橡胶基质中的纳米磁体层，将生物力学压力（手指触摸）转化为磁响应；以及图案化液态金属线圈的磁感应层。后者响应磁场变化并发电（电磁感应）。

“通过这种方式，我们的设备以自供电方式工作，”Chen说,“与非自供电的传统HMI设备相比，我们的设备将产生低得多的功耗。”

JUN CHEN RESEARCH GROUP/UCLA

Chen说，制造磁弹性HMI设备的制造过程非常简单。研究团队使用了3D打印、反向模制工艺和激光图案化等方法，但他补充说，通过探索更经济的微磁体、纳米磁体和聚合物基体材料，或者用适合大规模制造的精细设计的固体导线层替代液态金属线圈层，可以进一步降低成本。

该材料具有柔性、弹性和耐久性，即使在轧制、折叠和拉伸时也能产生稳定的动力。此外，磁场不受设备潮湿的特别影响。它不受高达150%的应变干扰，在1赫兹频率下表现出宽的压力灵敏度和0.2秒的响应时间。这些特性有助于实时控制电子设备。在他们的演示中，研究人员集成了一个带有按钮的电路来操作台灯和音乐播放器。

Chen对这项技术的商业化感兴趣。他说：“由于这些设备柔软、可穿戴且生物相容，因此可以广泛应用于人机界面应用。” 可能的用途包括用于电子皮肤和软致动器的机械敏感电子器件。他还预见了虚拟平台的应用。另一个吸引人的潜在应用是身体运动传感，它可以作为一个自供电的可拉伸应变传感器，捕捉肢体、肌肉的运动和生命体征信号，用于生活方式、健身和健康相关应用，”他补充道。

同时，Chen指出，这项技术背后的基础科学需要更多的基础研究，以便科学家和工程师能够对其属性和物理极限有更深入的理解。他还想研究电压输出：“法拉第定律（说）输出电压与线圈数量和通过线圈的总磁通量的变化成线性比例。因此，研究的一个可能方向是更先进的制造技术，以增加磁机械耦合系数和线圈数量。”