是什么讓病人無需說話，就能在電腦屏幕上打出 “I NEED WATER” 去向醫(yī)護(hù)人員要水喝？

?

圖 | 病人在屏幕上打字（來源：受訪者）

?

這是由重慶大學(xué)賀顯明、郭恒宇、牟笑靜等人與王中林院士合作，受蛙鳴行為的啟發(fā)，聯(lián)合開發(fā)的一款免提打字通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可幫助殘疾人與外界通信。

?

盲打測試中，病人首先打出 “I”。

?

動圖 | 打出字母 “I”（來源：受訪者）

?

然后再打出 “ NEED”，最后打出 “WATER” 便有了文章開頭的 “I NEED WATER”。

?

動圖 | 打出 “NEED”（來源：受訪者）

?

該系統(tǒng)的全稱叫基于 BTUSE 傳感器的免提打字通信系統(tǒng)，其中 BTUSE 是 bionic triboelectric nanogenerator-based ultra-sensitive self-powered electromechanical 的縮寫，即基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的超靈敏自供電的仿生機(jī)電傳感器。

由于該傳感器輸出的是一種脈沖信號，所以該研究團(tuán)隊使用莫爾斯電碼作為通信協(xié)議，來實現(xiàn)殘疾人或者病人的人機(jī)交互。

他們將一個觸發(fā)信號設(shè)置為“dit”，兩個觸發(fā)信號設(shè)置為“dah”，三個觸發(fā)信號設(shè)置為“Enter”，四個觸發(fā)信號設(shè)置為“backspace”。

?

其中，“dit” 和 “dah” 之間的時間間隔是一個重要參數(shù)，在短時間間隔下，用戶必須快速觸發(fā)，而長時間間隔則會降低通信效率。

?

這意味著，由于不同的觸發(fā)習(xí)慣，每個用戶都有一個獨(dú)特的最優(yōu)值，而最優(yōu)值是效率和精度之間的折衷值，可通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)訓(xùn)練得到。

?

圖 | 免提打字通信系統(tǒng)（來源：受訪者）

?

在支持向量機(jī)（SVM）模型中進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練后，該團(tuán)隊獲得了 96.3% 的高識別準(zhǔn)確率。根據(jù)莫爾斯電碼的一般規(guī)則，所有字母都可以用 “dit” 和 “dah” 來表示。

?

在演示中，該研究團(tuán)隊根據(jù)莫爾斯電碼規(guī)則成功輸入了單詞 “HMI”（Human Machine Interface 的縮寫，即人機(jī)接口，又叫人機(jī)界面）。

?

圖 | 根據(jù)莫爾斯電碼規(guī)則成功輸入了單詞 “HMI”（來源：受訪者）

?

作為一種新型醫(yī)療通信輔助設(shè)備，基于 BTUSE 傳感器的免提打字通信系統(tǒng)在智慧醫(yī)療方面具有較好的應(yīng)用前景。

事實上，免提打字通信系統(tǒng)只是該研究團(tuán)隊成果的具體應(yīng)用之一。圍繞 BTUSE 傳感器，該研究團(tuán)隊撰寫了論文并于近期發(fā)表在?Advanced Science。

論文標(biāo)題為《用于肌肉觸發(fā)通信應(yīng)用的仿生超靈敏自供電機(jī)電傳感器》（Bionic Ultra-Sensitive Self-Powered Electromechanical Sensor for Muscle-Triggered Communication Application），是由重慶大學(xué)賀顯明、郭恒宇、牟笑靜等人與王中林院士合作共同發(fā)表。

?

圖 | 相關(guān)論文（來源：受訪者）

?

以青蛙“咕呱”為啟發(fā)，研發(fā)出超靈敏自供電的仿生機(jī)電傳感器

?

摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG，Triboelectric Nanogenerator），是基于接觸起電（contact electrification）和靜電感應(yīng)（electrostatic induction）耦合，可收集人體與環(huán)境中的微小機(jī)械能的新型微能源技術(shù)。

自幾年前由王中林院士團(tuán)隊首次發(fā)明以來，它已廣泛應(yīng)用于環(huán)境能量采集、自驅(qū)動傳感（人機(jī)界面、穿戴式電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療康復(fù)、智能書寫和語音識別等）和藍(lán)色能源等領(lǐng)域。

?

TENG 具有高輸出性能、輕薄、柔性和較好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢，故可用于開發(fā)穩(wěn)定舒適的人機(jī)交互應(yīng)用。

具體以怎樣的形式交互？該研究團(tuán)隊想到了仿生青蛙。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雄蛙呱呱叫時，由肌肉控制的大嘴輕微收縮（微運(yùn)動），擠壓出來的氣流推動青蛙的外部聲囊發(fā)生明顯的變形。然后，聲帶的共振會增強(qiáng)聲帶的聲音

受青蛙呱叫行為的啟發(fā)，該研究團(tuán)隊研發(fā)出這種基于 TENG 的超靈敏自供電的仿生機(jī)電傳感器，它可將咬肌肌肉的實時微運(yùn)動，轉(zhuǎn)化為人機(jī)交互的控制命令。

?

圖 | 雄蛙呱呱叫（來源：受訪者）

?

如下圖所示，BTUSE 傳感器集成了具有放大效果的運(yùn)動模塊、以及可產(chǎn)生電信號的 TENG 模塊。運(yùn)動模塊包括傳感膜、以及由間隔層分離的振動膜，其中穿透間隔層的孔隙可作為空氣呼吸通道。

?

圖 | BTUSE 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（來源：受訪者）

?

半徑為 14 mm、距離間隔層為 5 mm的傳感膜，就像青蛙的嘴一樣，會隨著肌肉縮放而變形。

同樣，半徑為 7 mm 并與間隔層緊密接觸的振動膜，可以模仿青蛙外部聲囊的功能，在傳感膜的驅(qū)動下，它會產(chǎn)生大幅度變形。

?

圖 | 傳感器青蛙鳴叫（來源：受訪者）

?

這里有個小細(xì)節(jié)，所有薄膜都被設(shè)計成圓形，是因為圓形邊界的曲率與其他形狀相同，從而能實現(xiàn)又小又均勻的應(yīng)力分布。

?

接著，通過模擬口腔的結(jié)構(gòu)和聲囊，該團(tuán)隊使用柔性 PDMS 彈性體（聚二甲基硅氧烷，一種疏水的有機(jī)硅材料），制備出了傳感膜和可變形振動膜，這時便可將咬肌的微小波動，放大為振動膜的大幅度變形。此時，再把 TENG 技術(shù)融入到仿生結(jié)構(gòu)中，即可把薄膜的振動轉(zhuǎn)換為電信號。

研究中，該研究團(tuán)隊還運(yùn)用摩擦材料摻雜改性技術(shù)，讓摩擦電層的表面電荷密度實現(xiàn)最大化，借此增強(qiáng)摩擦電層的信號強(qiáng)度。

?

（來源：受訪者）

?

據(jù)悉，該傳感器的靈敏度為 54.6 mV mm -1、強(qiáng)度信號為 ±700 mV、傳感范圍為 0-5 mm。相比傳統(tǒng)的生物電位肌電圖方法，它的信號強(qiáng)度高出 206 倍。

?

利用摩斯電碼和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該傳感器可實現(xiàn)安全、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的通信輔助人機(jī)交互應(yīng)用，其中準(zhǔn)確度達(dá) 96.3%。

?

BTUSE 傳感器可將用戶咬肌的實時微動，轉(zhuǎn)化成人機(jī)界面的控制命令，同時作為摩斯電碼的通信協(xié)議，可應(yīng)用于人機(jī)交互中。

基于 BTUSE 傳感器的高性能，該研究團(tuán)隊將 莫爾斯電碼作為通信協(xié)議引入 HMI 應(yīng)用，并開發(fā)出了上述免提打字通信系統(tǒng)。

?

（來源：受訪者）

?

原理基于接觸帶電和靜電感應(yīng)的耦合

?

TENG 模塊由銀納米線（AgNWs）基底部電極、銀納米線/鈦酸鋇納米顆粒/聚二甲基硅氧烷（Ag NWs/BaTiO3 NPs/PDMS）復(fù)合摩擦材料（下稱“摩擦材料”）、以及碳基頂部電極組成。

其中，底部電極和摩擦層被集成為一個間隔層，頂部電極附著在振動膜上，當(dāng)薄膜振動時，它與摩擦材料接觸/分離。

下圖分別是傳感膜、底部電極、摩擦層和最終組裝的裝置，這些裝置的靈活性可幫助提高用戶體驗。

?

圖 | 傳感膜、底部電極、摩擦層和最終組裝的傳感器（來源：受訪者）

?

下面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，分別顯示了銀納米線、摩擦材料和碳基導(dǎo)電膜的微觀形貌圖。它們的微觀形貌會影響器件的信號強(qiáng)度。

?

圖 | 銀納米線、摩擦材料和碳基導(dǎo)電膜的 SEM 圖（來源：受訪者）

?

該研究團(tuán)隊表示，BTUSE 傳感器中的放大效應(yīng)，源于傳感膜和振動膜之間的尺寸差異。其中，肌肉運(yùn)動會導(dǎo)致傳感器中的空氣被壓縮，但這種影響可以忽略不計，因此由感測膜的輕微變形擠壓出的空氣體積等于振動膜的體積。

?

圖 | 傳感膜和振動膜之間的尺寸差異（來源：受訪者）

?

BTUSE 傳感器產(chǎn)生電氣輸出信號的原理，是基于接觸帶電和靜電感應(yīng)的耦合。下圖顯示了它在肌肉收縮和放松過程中的發(fā)電過程，包括電荷轉(zhuǎn)移行為和 COMSOL 模擬的電位分布。

?

圖 | BTUSE 傳感器在肌肉收縮和放松過程中的發(fā)電過程，及電荷轉(zhuǎn)移行為和 COMSOL 模擬的電位分布（來源：受訪者）

?

在初始階段，摩擦薄膜帶負(fù)電，碳基電極則帶正電，這些電荷是通過幾次接觸分離循環(huán)獲得的。

在傳感器的肌肉收縮階段，由振動膜驅(qū)動的頂部電極會逐漸離開摩擦材料，這會導(dǎo)致兩層之間的電位差逐漸增加。

然后，電子會從頂部電極流到銀納米線底部電極。在肌肉松弛的中間階段，在傳感膜的彈性力和以及振動薄膜的壓力下，頂部電極可逐漸回到初始狀態(tài)，這會導(dǎo)致電位差逐漸降低，并會讓外部電路產(chǎn)生相反的電流。而這正是信號生成過程的整個周期。

?

采用防水性材料與密封結(jié)構(gòu)，可在出汗環(huán)境下穩(wěn)定工作

?

除了研究摩擦材料對 BTUSE 傳感器輸出的影響外，該研究團(tuán)隊還研究了裝置結(jié)構(gòu)尺寸對輸出的影響，如振動膜的尺寸、厚度以及呼吸孔的布置。

?

為實現(xiàn)對于 BTUSE 傳感器性能的定量描述，他使用振動平臺和位移傳感器來控制振動膜的變形。

?

實驗中，他們發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律現(xiàn)象：隨著變形的增加，不同構(gòu)型的傳感器的輸出，經(jīng)歷了三個變化階段，分別是線性增加階段、非線性增加階段和飽和階段。

?

（來源：受訪者）

?

這三個階段分別對應(yīng) BTUSE 傳感器在肌肉驅(qū)動的小變形、大變形和過度變形中工作。該研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，薄膜厚度越薄，靈敏度和信號強(qiáng)度也越好。

緊接著，該團(tuán)隊還研究了傳感器的表征如頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性和防水。如前所述，一定范圍內(nèi)，BTUSE 傳感器的電學(xué)輸出會隨著頻率增加而逐漸增大。為研究長期實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和耐久性，該研究團(tuán)隊以5Hz的頻率對其進(jìn)行了 60 000 個周期的重復(fù)變形實驗。

?

（來源：受訪者）

?

結(jié)果證明，整個過程中傳感器的輸出始終保持穩(wěn)定，由于其外層的 PDMS 密封層，即便浸水后其輸出性能也不受影響，因此可在出汗環(huán)境下穩(wěn)定工作。

談及未來，該團(tuán)隊表示免提系統(tǒng)不是終點(diǎn)而是起點(diǎn)，病魔無情，科技有愛，未來我們會致力于研發(fā)更靈敏、更舒適、更友好的人機(jī)交互系統(tǒng)，讓人人都能感受到科技的魅力，享受到科技的便利。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計，目前全球有 10 億左右殘疾人。他們也被要求在疫情期間出示健康碼，這就得使用智能手機(jī)。

多數(shù)殘疾人用的手機(jī)，是基于正常人的需求設(shè)計而來。智能產(chǎn)品給正常人帶來了方便，但卻可能給他們帶來更大的不便，因此專為殘疾人設(shè)計的人機(jī)交互系統(tǒng)寥寥無幾。而該團(tuán)隊的工作瞄準(zhǔn)這一小眾群體，正是科技向善的彰顯。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情
?