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

為了解決這個問題，加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院的一個研究團隊提出了防水、靈活、低成本皮膚集成人機界面的原型。該裝置包括磁彈性傳感器陣列，其將環(huán)境生物力學運動轉換為電信號。他們的研究發(fā)表在《應用物理評論》上。

該裝置本質上是防水的，生物相容性好，能夠將手指按壓所產生的力轉化為連續(xù)的電信號。該團隊通過控制音樂播放器和打開和關閉電燈來演示這一點。他們還在各種現(xiàn)實條件下進行了測試，包括噴水、大雨和劇烈體育活動。

由加州大學洛杉磯分校可穿戴生物電子學研究小組的Jun Chen領導的研究人員使用了19世紀60年代發(fā)現(xiàn)的磁彈性效應（也稱為逆磁約束），描述了機械應力下材料磁化的變化。事實上，目前的研究擴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。

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的。但2021年，研究人員在其實驗室中也觀察到了該效應，在一個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，測量的磁彈性效應增強了五倍?！币虼?，他們稱之為“巨磁彈性效應”。談到他們目前的工作，他補充道，“我們利用這一發(fā)現(xiàn)開發(fā)了一種全新的可穿戴人機界面?！?/p>

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

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

Chen說，制造磁彈性HMI設備的制造過程非常簡單。研究團隊使用了3D打印、反向模制工藝和激光圖案化等方法，但他補充說，通過探索更經濟的微磁體、納米磁體和聚合物基體材料，或者用適合大規(guī)模制造的精細設計的固體導線層替代液態(tài)金屬線圈層，可以進一步降低成本。

該材料具有柔性、彈性和耐久性，即使在軋制、折疊和拉伸時也能產生穩(wěn)定的動力。此外，磁場不受設備潮濕的特別影響。它不受高達150%的應變干擾，在1赫茲頻率下表現(xiàn)出寬的壓力靈敏度和0.2秒的響應時間。這些特性有助于實時控制電子設備。在他們的演示中，研究人員集成了一個帶有按鈕的電路來操作臺燈和音樂播放器。

Chen對這項技術的商業(yè)化感興趣。他說：“由于這些設備柔軟、可穿戴且生物相容，因此可以廣泛應用于人機界面應用?！?可能的用途包括用于電子皮膚和軟致動器的機械敏感電子器件。他還預見了虛擬平臺的應用。另一個吸引人的潛在應用是身體運動傳感，它可以作為一個自供電的可拉伸應變傳感器，捕捉肢體、肌肉的運動和生命體征信號，用于生活方式、健身和健康相關應用，”他補充道。

同時，Chen指出，這項技術背后的基礎科學需要更多的基礎研究，以便科學家和工程師能夠對其屬性和物理極限有更深入的理解。他還想研究電壓輸出：“法拉第定律（說）輸出電壓與線圈數(shù)量和通過線圈的總磁通量的變化成線性比例。因此，研究的一個可能方向是更先進的制造技術，以增加磁機械耦合系數(shù)和線圈數(shù)量?！?/p>