在過去幾十年中，人機界面（HMI）技術(shù)，特別是在可穿戴設(shè)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(zhuǎn)換為電信號。他們的研究發(fā)表在《應(yīng)用物理評論》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。該團隊通過控制音樂播放器和打開和關(guān)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(lǐng)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(yīng)（也稱為逆磁約束），描述了機械應(yīng)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(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，研究人員在其實驗室中也觀察到了該效應(yīng)，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?！芭c金屬和金屬合金相比，測量的磁彈性效應(yīng)增強了五倍?！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(zhì)中的納米磁體層，將生物力學壓力（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)磁場變化并發(fā)電（電磁感應(yīng)）。

“通過這種方式，我們的設(shè)備以自供電方式工作，”Chen說，“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，制造磁彈性HMI設(shè)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(jīng)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(shè)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(chǎn)生穩(wěn)定的動力。此外，磁場不受設(shè)備潮濕的特別影響。它不受高達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)時間。這些特性有助于實時控制電子設(shè)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(shù)的商業(yè)化感興趣。他說：“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)用于人機界面應(yīng)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(yīng)用。另一個吸引人的潛在應(yīng)用是身體運動傳感，它可以作為一個自供電的可拉伸應(yīng)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(guān)應(yīng)用，”他補充道。

同時，Chen指出，這項技術(shù)背后的基礎(chǔ)科學需要更多的基礎(chǔ)研究，以便科學家和工程師能夠?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）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(shù)，以增加磁機械耦合系數(shù)和線圈數(shù)量?！?/p>