鑽石舞台

近年來機械手在生產生活中發揮着越來越重要的作用，它可以模擬人手的活動而代替人手從事大量高重複性，高危險性的工作。隨着應用領域的發展，傳統的人機交互已經不能滿足人們的需求，應用的發展要求機械手更加靈活，便攜，甚至可穿戴。在技術層面上要解決的則是精確感知每個手指的運動，這就對手指運動信號採集帶來了極大挑戰。近年來基於摩擦起電和靜電感應耦合的摩擦納米發電機(TENG)在生理信號採集、機械信號檢測等方面顯示了巨大的潛力與優勢，並且已經被應用於能量收集和自供電機械傳感。基於此，該論文報道了一種基於摩擦納米技術與Halbach Array結構的自供能位移傳感器件(Ma-s-TS)，並基於此傳感器構建了一套實時的手勢識別系統，用於實現人手和機械手之間的實時手勢交互。

1. 在單位時間內對正/負脈衝進行計數，從而可以實時感知手指運動的角度、速度和方向。

2. 磁陣列的滑動結構將滑動運動轉化為接觸/分離運動，從而提高了器件的耐用性和在低速時的信號幅度。

3. 磁性軌道限制了滑動方向，從而大大提高了穩定性。

重慶大學胡陳果課題組在滑動模式的摩擦納米發電機中加入了Halbach Array結構——一種磁極周期性排列的結構，其內部的多極磁陣，可將手指的屈伸牽引運動轉換為傳感器內部結構之間的連續接觸分離。利用這些微弱機械運動，傳感器可以自己產生正/負脈衝信號。通過單位時間內的脈衝計數，實現手指屈伸的角度、速度和方向的判定。此外通過結構的優化，提高了系統的耐久性、低速信號幅值和穩定性。這種直接量化方法和對可穿戴傳感器的優化，為實現自然、直觀、實時的人機交互提供了一種新的策略。

IMa-s-TS的結構

圖1.(a) Ma-s-TS的原理圖和多層結構。插圖：基板和滑塊上磁陣列的顯影照片。(b) 總體結構圖。(c) 磁陣列輔助接觸分離狀態(頂部和底部)。(d) 製作的傳感器照片(比例尺：1cm)。

IIMa-s-TS的操作原理

Ma-s-TS的工作原理如圖2所示。首先如圖2(a)所示，由於不同材料之間得失電子的能力不同，當金屬和聚四氟乙烯薄膜接觸後，這兩個材料會在接觸表面形成符號相反的表面電荷。對於Part A，當在外力作用下發生分離時，金屬和聚四氟乙烯下面的電極之間會形成感應電勢差。如果兩個電極通過負載連接在一起，為了平衡靜電場，電子會通過負載從一個電極流向另一個電極。對於Part B，金屬和聚四氟乙烯接觸後，金屬會帶上正電荷。當帶正電的金屬在底部兩個電極之間往復運動時，底部兩個電極之間的電勢差會發生變化。為了平衡電勢差的變化，當兩個電極通過負載連通時，電子會在兩個電極之間來迴轉移。所以Part A部分會產生一系列周期性的窄脈衝，而Part B部分，在滑動周期中會產生交替的寬脈衝信號。將這個種不同的信號進行耦合，我們就可以得到代表手指彎曲/伸展的一系列正/負脈衝。為了支撐前面解釋的工作原理，Part A和Part B在運動過程中開路狀態下電極的電勢的變化可以通過COMSOL進行了模擬描述。並且通過實際測量，得到了圖2(d–f)中兩個獨立部分和耦合電路中檢測到的真實信號。

圖2.(a) 滑動中電子轉移過程的示意圖。(b) 滑動過程中輸出信號的示意圖。(c) 有限元模擬滑動過程中開路狀態下電勢分布。(d-f) Part A、Part B、耦合後對應的實際測試輸出信號。

圖3.(a) 戴在手指上的Ma-s-TS。(b) 正負脈衝表示手指伸直和彎曲。(c) 基於圖(b) 信號的機械手和人手的實時手勢交互。(d–e) 與jmTQS在信道間干擾的比較(d. jmTQS，e. Ma-s-TS)。

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