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Medtec上海国际医疗器械设计与制造技术展览会

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2023有源医疗器械创新论坛速递人工触摸系统——高度弯曲、不敏感和防水的表皮电子元件

表皮电子器件已经看到了广泛的应用，从个人保健，人类活动监测到人机界面。表皮电子与皮肤的适形接触对于提高传感信号的质量至关重要。

研究背景

元宇宙中的交互式电子设备(IE 设备)使用户能够提高交互质量，并通过直观的界面建立实时闭环反馈。如同创造了一个虚拟世界，人类仍然可以通过 IE 设备用手指和眼睛与虚拟世界进行交互，这使得化身的生活更加真实，交互更加直接。元宇宙重构了人机关系的新场景，可根据需要随时提供身临其境的交互体验，如在潮湿的丛林中探险或在潮湿的海面上冲浪。为了抵御雨水和汗水等潮湿环境，IE 设备被严密封装以获得防水性。这种方式通常会使 IE 设备变得僵硬、笨重和厚实。由于人体组织表面本身比较柔软，因此 IE 设备与人体组织表面之间会产生很大的不匹配。为了提供平滑和相对舒适的触摸交互，IE 设备需要具有柔韧性并能很好地贴合皮肤表面。在现实中，目前的IE 设备仍有可能因弯曲变形而发生故障，导致传感单元失灵或电极连接断开。因此人工电子设备应具有高柔韧性，这样才能与柔软的皮肤贴合，即使因佩戴而变形，也能持续稳定地发挥作用。此外，获得高性能可使智能电子设备准确地将人类意图转化为计算机可识别的信号，这对元宇宙的突破性发展至关重要。
利用可拉伸晶体管、触觉界面和人造皮肤等附着在人体上的 IE 设备进行准确和实时的信息测量，对于人机交互(HMI)至关重要。通过互不重叠的电容信号，柔性磁场传感器可以识别磁场的大小和方向，从而实现非接触式测量和交互。为了使整个IE 设备具有柔性，有效的替代方法是采用软功能材料，直接使传感像素具有柔性，并将其附着在人体皮肤上，作为触摸操作平台。为了准确识别触摸位置，大规模集成传感像素是常见的方法，这导致了 IE设备的整体刚性。为了将坚硬的 E 设备变为灵活的设备，替代方法是设计形状可变的导电线，通过降低像素密度来连接传感像素。因此，高柔性和高精度触摸检测似乎是不可调和的。此外，当柔性 IE 设备安装在人体上时，传感信号会发生变化，因此通常需要对信号和指令之间的基线偏移或关系进行重新定义，而这在人机界面中是令人沮丧的。

研究成果

高效灵活的交互需要将人类的意图精确地转换为计算机可识别的信号，这对于元宇宙的突破性发展至关重要。交互式电子产品面临着常见的两难问题，它们可以实现高精度和稳定的触摸检测，但却十分僵硬、笨重和厚重；或者可以实现高度灵活的佩戴，但却失去了精度。在此，厦门大学陈忠&廖新勤教授等人构建了高度弯曲、不敏感、无像素化和防水的表皮界面(BUW 表皮界面)，并展示了其在保形人机一体化中的交互应用。基于可寻址电接触结构的 BUW 表皮界面具有高精度和稳定的触摸检测、高灵活性、快速响应时间、出色的稳定性和多功能“剪贴”特性。不管是肥大还是弯曲，BUW 表皮界面都能贴合人体皮肤，实现实时、舒适和无拘无束的交互。这项研究为开发表皮电子器件的功能复合和结构设计策略提供了前景广阔的见解，开辟了一条新的技术路线，并有可能进一步拓宽人机交互的范围，使之走向元宇宙。相关研究以“Conformal Human–Machine Integration Using Highly Bending‑Insensitive, Unpixelated, and Waterproof Epidermal Electronics Toward Metaverse”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

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研究亮点

1.  可寻址的电触点结构使多功能表皮接口集感知、识别和传输功能于一身，实现了高灵活性和高精度的触摸检测。
2.  多功能表皮界面实现了超强的防水性，而且结构足够薄，可以自由弯曲，不像普通的交互式电子设备那样僵硬、笨重和厚实。
3.  这种对弯曲不敏感的特性有助于实现准确而稳定的人机交互，为智能假肢和超软机器人奠定了重要基础。

图文导读

Fig. 1 Biological touch sensory system and artificial touch sensing system.
Fig. 2 Bending-insensitive, spatiotemporal dynamic, and waterproof characteristics of the BUW epidermal interface.
Fig. 3 BUW epidermal interface for beating chime in the interactive VR system.
Fig. 4 Square BUW epidermal interface for controlling chess piece position movement.
Fig. 5 BUW epidermal interface with different shapes for controlling virtual tank movements and gun barrel actions.

总结与展望

在这项工作中，作者从生物传感系统中获得了初步启发，突破性地构建了一种高弯曲不敏感、无像素化和防水的表皮界面(BUW 表皮界面)用于人工触摸传感系统。将 CNT 与 MC 结合在一起，实现了优势互补，制备出了具有高电性能和高稳定性的敏感材料。利用令人满意的敏感材料设计了可寻址的电接触结构，使 BUW 表皮界面具有感知、识别和传输的一体化功能。在没有大规模集成传感像素的情况下，物联网表皮界面克服了性能上的矛盾，实现了高灵活性和高精度的触摸检测。由于采用了高效的可寻址电触点结构，BUW 表皮界面实现了超强的防水性，并且做得足够薄，可以自由弯曲，不像普通的防水 IE 设备那样僵硬、笨重和厚实。无论肥大还是弯曲，BUW 表皮界面都能贴合人体皮肤，作为触摸操作平台，其快速反应和恢复时间均小于 8 毫秒，并且具有大于 20000 次循环测试的高耐用性。它无需基线偏移或重新定义信号与指令之间的关系，作为一种高稳定性和灵活性的 E 设备，可安装在人体曲面上，为自由、舒适和无拘无束的人机界面提供了极大的优势。BUW 表皮界面具有与生物触觉系统一样的精确时空动态识别能力。高度的区域差异化识别能力、可扩展性和多功能性确保了生物战表皮界面可根据需要设计成各种形状，用于多种交互控制，包括控制棋子定位、逼真的坦克移动和操纵虚拟炮管。特别是，BUW 表皮界面实现了“剪贴特性，可将其设计成相应的尺寸，并安装在手掌上，用于各种人机界面。BUW 表皮界面的人工触觉传感系统将使触觉的再现能力得到提高，这无疑为准确再现人的感觉走向元宇宙提供了重大的科技突破。
2023有源医疗器械创新论坛Medtec创新展发现，在现实世界的互动环境中，皮肤表面区域不仅可以弯曲，还可以拉伸。因此，要实现物联网表皮界面的可拉伸性，PDMS、PU和 Ecoflex 硅弹性体等可拉伸聚合物基材可能是可行的替代品。此外，功能材料与可拉伸基底的结合还需要进一步的探索和研究以便在拉伸过程中实现稳定的信号输出和可拉伸表皮界面的识别。基于可寻址电接触结构的BUW 表皮界面每次可有效感应和识别一个触摸点。在某些交互应用中，还需要多点触控感应。这需要在结构设计和材料探索方面进行创新。同时，设备结构的简洁性和有效性仍值得更多关注。此外，探索用于实时监测的人体集成设备将极大地造福患者，显著提高他们的生活质量。因此，关键挑战之一在于需要可植入和可降解的材料。未来，各种功能材料和新型结构的结合将使表皮界面具有可拉伸、多点触摸、可植入和可降解的特性。
文章来源：i学术i科研