在過(guò)去幾十年中，人機(jī)界面（HMI）技術(shù)，特別是在可穿戴設(shè)備需求的推動(dòng)下，迅速發(fā)展為更小、更輕、更高效、更堅(jiān)固的形式。今天，我們也有各種自供電HMI，例如使用壓電和摩擦電來(lái)發(fā)電。盡管取得了這些進(jìn)步，但大多數(shù)可穿戴HMI仍然對(duì)濕氣（如出汗和天氣條件）相對(duì)缺乏防御能力。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了防水、靈活、低成本皮膚集成人機(jī)界面的原型。該裝置包括磁彈性傳感器陣列，其將環(huán)境生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。他們的研究發(fā)表在《應(yīng)用物理評(píng)論》上。

該裝置本質(zhì)上是防水的，生物相容性好，能夠?qū)⑹种赴磯核a(chǎn)生的力轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電信號(hào)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制音樂(lè)播放器和打開(kāi)和關(guān)閉電燈來(lái)演示這一點(diǎn)。他們還在各種現(xiàn)實(shí)條件下進(jìn)行了測(cè)試，包括噴水、大雨和劇烈體育活動(dòng)。

由加州大學(xué)洛杉磯分校可穿戴生物電子學(xué)研究小組的Jun Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用了19世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的磁彈性效應(yīng)（也稱為逆磁約束），描述了機(jī)械應(yīng)力下材料磁化的變化。事實(shí)上，目前的研究擴(kuò)展了該小組早期的工作，證明了軟聚合物系統(tǒng)中的磁彈性效應(yīng)。

Chen表示，傳統(tǒng)上能夠在剛性金屬和金屬合金中觀察到這種效應(yīng)的。但2021年，研究人員在其實(shí)驗(yàn)室中也觀察到了該效應(yīng)，在一個(gè)由大小從微米到納米的磁鐵和聚合物基體組成的軟系統(tǒng)中。“與金屬和金屬合金相比，測(cè)量的磁彈性效應(yīng)增強(qiáng)了五倍?！币虼?，他們稱之為“巨磁彈性效應(yīng)”。談到他們目前的工作，他補(bǔ)充道，“我們利用這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)了一種全新的可穿戴人機(jī)界面?！?/p>

原型是一個(gè)4×4厘米的陣列，包括兩個(gè)組件：多孔硅橡膠基質(zhì)中的納米磁體層，將生物力學(xué)壓力（手指觸摸）轉(zhuǎn)化為磁響應(yīng)；以及圖案化液態(tài)金屬線圈的磁感應(yīng)層。后者響應(yīng)磁場(chǎng)變化并發(fā)電（電磁感應(yīng)）。

“通過(guò)這種方式，我們的設(shè)備以自供電方式工作，”Chen說(shuō)，“與非自供電的傳統(tǒng)HMI設(shè)備相比，我們的設(shè)備將產(chǎn)生低得多的功耗?！?/p>

Chen說(shuō)，制造磁彈性HMI設(shè)備的制造過(guò)程非常簡(jiǎn)單。研究團(tuán)隊(duì)使用了3D打印、反向模制工藝和激光圖案化等方法，但他補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)探索更經(jīng)濟(jì)的微磁體、納米磁體和聚合物基體材料，或者用適合大規(guī)模制造的精細(xì)設(shè)計(jì)的固體導(dǎo)線層替代液態(tài)金屬線圈層，可以進(jìn)一步降低成本。

該材料具有柔性、彈性和耐久性，即使在軋制、折疊和拉伸時(shí)也能產(chǎn)生穩(wěn)定的動(dòng)力。此外，磁場(chǎng)不受設(shè)備潮濕的特別影響。它不受高達(dá)150%的應(yīng)變干擾，在1赫茲頻率下表現(xiàn)出寬的壓力靈敏度和0.2秒的響應(yīng)時(shí)間。這些特性有助于實(shí)時(shí)控制電子設(shè)備。在他們的演示中，研究人員集成了一個(gè)帶有按鈕的電路來(lái)操作臺(tái)燈和音樂(lè)播放器。

Chen對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化感興趣。他說(shuō)：“由于這些設(shè)備柔軟、可穿戴且生物相容，因此可以廣泛應(yīng)用于人機(jī)界面應(yīng)用?！?可能的用途包括用于電子皮膚和軟致動(dòng)器的機(jī)械敏感電子器件。他還預(yù)見(jiàn)了虛擬平臺(tái)的應(yīng)用。另一個(gè)吸引人的潛在應(yīng)用是身體運(yùn)動(dòng)傳感，它可以作為一個(gè)自供電的可拉伸應(yīng)變傳感器，捕捉肢體、肌肉的運(yùn)動(dòng)和生命體征信號(hào)，用于生活方式、健身和健康相關(guān)應(yīng)用，”他補(bǔ)充道。

同時(shí)，Chen指出，這項(xiàng)技術(shù)背后的基礎(chǔ)科學(xué)需要更多的基礎(chǔ)研究，以便科學(xué)家和工程師能夠?qū)ζ鋵傩院臀锢順O限有更深入的理解。他還想研究電壓輸出：“法拉第定律（說(shuō)）輸出電壓與線圈數(shù)量和通過(guò)線圈的總磁通量的變化成線性比例。因此，研究的一個(gè)可能方向是更先進(jìn)的制造技術(shù)，以增加磁機(jī)械耦合系數(shù)和線圈數(shù)量。”