鑽石舞台

全身沉浸式體驗是人機界面日益發展的趨勢。人機界面管理信息系統是人與機器之間為完成既定任務而進行信息傳遞和交換的媒介。觸摸定位傳感器是一種重要的人機界面，它可以用於我們的身體與虛擬或現實世界之間的各種交互。隨着人工智能的發展，基於人機界面的智能網絡安全設計已經成為金融和計算行業的一個顯著應用，這就需要觸摸定位傳感器與深度學習協同工作。對於觸摸板來說，單點觸摸輸入可以實現簡單的點擊、滑動、拖動等控制，多點觸摸輸入可以實現圖像縮放、對象控制等熟練的操作識別。觸摸定位傳感器從結構簡單的單一功能發展到高分辨率陣列結構的多功能。目前，作為虛擬現實、增強現實和元宇宙的電子可編程交互平台的觸摸定位傳感器，受到功能有限、不穩定、信號干擾和電極數量多的複雜結構的限制。

An All-In-One Multifunctional Touch Sensor with Carbon-Based Gradient Resistance Elements

Chao Wei, Wansheng Lin, Shaofeng Liang, Mengjiao Chen, Yuanjin Zheng, Xinqin Liao*, Zhong Chen*

Nano-Micro Letters (2022)14: 131

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00875-9

1. 設計了一種只需要兩個電極的多點觸摸定位傳感器，器件能對物體進行多種功能控制，具有零串擾、長期耐用、響應快、穩定性高和出色的時空動態分辨等特性。

3.基於深度學習算法與觸摸定位傳感器，構建了一種人工智能增強的用戶驗證系統，能夠識別、學習和記憶用戶不同觸摸特徵，為以觸摸特徵識別為基礎的個性化人物識別系統提供樣本。

廈門大學電子科學與技術學院陳忠/廖新勤團隊聯合新加坡南洋理工大學Yuanjin Zheng教授提出並證明了一種一體化多功能觸摸定位傳感器(AIOM觸摸定位傳感器)，該傳感器僅具有兩個電極，可用於多種人機交互系統。AIOM觸摸定位傳感器採用了一種被稱為梯度電阻元件的新型功能結構，可以同時對多個觸摸位置進行準確的檢測和識別，為人工智能輔助人機交互提供了多種可能性和高實用性。圖形化的功能敏感材料可以用於構建用戶自定義的多點觸摸定位傳感器，器件具有零串擾、長期耐用、響應快、穩定性高和出色的時空動態分辨等特性。AIOM觸摸定位傳感器憑藉其獨特的多點觸摸傳感結構和響應特性，可實現多種VA/AR應用，包括自由彈奏鋼琴和通過編程控制無人機，可有效地將一個或多個動態觸摸轉換為設定的指令。基於AIOM觸摸定位傳感器和深度學習算法的增強用戶驗證系統，能夠識別、學習和記憶人機交互中固有的用戶行為特徵。這項工作不僅展示了推動傳感器領域突破性發展的新戰略，而且提供了一種科學和技術上可行的思維方式，以構建高效和多功能的觸摸定位傳感器，這些探索將有利於VR、AR和元宇宙時代的發展。

AIOM觸摸定位傳感器的工作機制受到生物感覺神經系統功能的啟發。在生物學上，多次指尖觸碰皮膚層，相當於多次外部機械刺激，會被多個機械受體轉化為短暫的受體電位，如Meissner小體(MC)、Ruffini小體(RC)、Merkel盤(MD)、Pacinian小體(PC)。受體電位產生生物突觸，釋放神經遞質，誘導神經元效應靶細胞產生突觸後電位。隨後，突觸後電位沿着神經纖維和脊髓傳遞到大腦。最後，大腦將接收到的信號解碼進行分析和判斷，並對這些信號做出反饋動作，如促進運動神經元對骨骼肌進行神經支配進行運動。在這個生物感覺神經系統中，有幾個核心組成部分，包括將外界機械刺激轉化為受體電位的機械受體、誘導突觸後電位的生物突觸、融合併將突觸後電位傳遞到中樞神經系統的神經纖維及分析、判斷和決策的大腦。同樣，普通的觸摸傳感系統也由許多部件組成，包括許多敏感單元、相應的大量電極、信號轉換單元陣列等，來實現多點觸摸的感知、轉換、傳輸和識別功能。這種結構的器件受限於功能有限、信號易串擾、元件與電極數量多、結構複雜等。本文提出了梯度電阻元件的結構用於構建觸摸定位傳感器，證明了一種只需要兩個電極的多點觸摸定位傳感器，而不需要M×N×2 或者 M + N個電極。通過巧妙的設計，器件能對物體進行多種功能控制。這種方法消除了信號串擾，防止了電極線之間的干擾，大大降低了人機交互系統的配置要求。

圖1. (a) AIOM觸摸定位傳感器及其人機交互概念應用示意圖(左)，與人類感覺系統對比(右)；(b) 和(c) 圖為AIOM觸摸定位傳感器在0、1、2機械刺激下的工作機理和相應的等效電路；(d-f) 圖為坐標紙、石墨膜和銀導電膜的FESEM圖像和EDS光譜。

IV 圓形AIOM觸摸定位傳感器用於無人機控制

要控制無人機的9個飛行動作，通常要求設備將9個分布式傳感元件與大量電極集成在一起。但這種方式有可能產生設計空間不足、生產周期長、信號處理複雜等問題。由於製造工藝的可擴展性和設計原理的通用性，作者們設計了圓形AIOM觸摸定位傳感器，以用於可編程的無人機控制。圓形AIOM觸摸定位傳感器由兩個電極、五個梯度電阻元件組成。作為一種概念證明，圓形AIOM觸摸定位傳感器可以附着在手背上以控制無人機。當對圓形AIOM觸摸定位傳感器的觸摸區域進行一點或兩點接觸時，器件會快速產生響應信號。通過設計，只包含5個活動觸摸按鈕的圓形觸摸定位傳感器就可以操作無人機的9個飛行動作。需要注意的是，這個器件還可根據需要，開發出更多的觸摸組合，進而實現無人機多樣化的可編程動作控制。圓形AIOM觸摸定位傳感器簡單的結構和功能的通用性，有效避免了傳統器件複雜的互聯線路結構，消除了信號傳輸的串擾。

圖4. (a) 一種基於圓形AIOM觸摸定位傳感器的可穿戴控制面板，該面板具有5個工作點，可控制無人機的9個飛行動作。左下:圓形AIOM觸摸定位傳感器結構的俯視圖；(b) 圓形AIOM觸摸定位傳感器對單點觸摸和組合式觸摸的典型響應電阻及其對應的控制命令；(c) 與無人機控制命令相關的圓形AIOM觸摸定位傳感器上觸摸組合照片；(d)基於圓形AIOM觸摸定位傳感器單點觸控和組合式觸控無人機飛行動作的典型照片。

V 基於S形AIOM觸摸定位傳感器的深度感知學習在人物識別中的應用

在增強用戶驗證系統中，生物識別技術越來越多地應用於網絡安全和計算機用戶隱私中。敲擊動力學是一種重要的生物識別技術。其主要通過不同的觸摸特徵來捕捉用戶的個人行為數據，包括觸摸位置、持續時間和觸摸間隔。作者們設計並構建了S形AIOM觸摸定位傳感器，用於用戶識別與驗證的智能鍵盤。基於S形AIOM觸摸定位傳感器，作者們提出了一種人工神經網絡輔助的生物識別技術。在實驗中，三個用戶輸入了相同的字符串。由於個人習慣的不同，每個用戶的按鍵動態信息是不同的。通過將人工智能算法與S形AIOM觸摸定位傳感器相結合，用戶訪問控制系統能夠有效地學習、適應和識別用戶按鍵行為特徵信息，並對用戶進行識別與認證。

圖5. (a) 基於S形AIOM觸摸定位傳感器的智能鍵盤原理圖及其在用戶識別和驗證的應用示意圖；(b) 3個用戶通過S形AIOM觸摸定位傳感器輸入相同密碼的照片，通過基於動態行為特徵的ANN算法可以對每個用戶進行準確識別和驗證。