是什麽(me) 讓病人無需說話，就能在電腦屏幕上打出 “I NEED WATER” 去向醫護人員要水喝？

圖 | 病人在屏幕上打字（來源：受訪者）

這是由重慶大學賀顯明、郭恒宇、牟笑靜等人與(yu) 王中林院士合作，受蛙鳴行為(wei) 的啟發，聯合開發的一款免提打字通信係統，該係統可幫助殘疾人與(yu) 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）

然後再打出 “ NEED”，最後打出 “WATER” 便有了文章開頭的 “I NEED WATER”。

動圖 | 打出 “NEED”（來源：受訪者）

該係統的全稱叫基於(yu) BTUSE 傳(chuan) 感器的免提打字通信係統，其中 BTUSE 是 bionic triboelectric nanogenerator-based ultra-sensitive self-powered electromechanical 的縮寫(xie) ，即基於(yu) 摩擦納米發電機的超靈敏自供電的仿生機電傳(chuan) 感器。

由於(yu) 該傳(chuan) 感器輸出的是一種脈衝(chong) 信號，所以該研究團隊使用莫爾斯電碼作為(wei) 通信協議，來實現殘疾人或者病人的人機交互。

他們(men) 將一個(ge) 觸發信號設置為(wei) “dit”，兩(liang) 個(ge) 觸發信號設置為(wei) “dah”，三個(ge) 觸發信號設置為(wei) “Enter”，四個(ge) 觸發信號設置為(wei) “backspace”。

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

這意味著，由於(yu) 不同的觸發習(xi) 慣，每個(ge) 用戶都有一個(ge) 獨特的最優(you) 值，而最優(you) 值是效率和精度之間的折衷值，可通過機器學習(xi) 算法的預訓練得到。

圖 | 免提打字通信係統（來源：受訪者）

在支持向量機（SVM）模型中進行預訓練後，該團隊獲得了 96.3% 的高識別準確率。根據莫爾斯電碼的一般規則，所有字母都可以用 “dit” 和 “dah” 來表示。

在演示中，該研究團隊根據莫爾斯電碼規則成功輸入了單詞 “HMI”（Human Machine Interface 的縮寫(xie) ，即人機接口，又叫人機界麵）。

圖 | 根據莫爾斯電碼規則成功輸入了單詞 “HMI”（來源：受訪者）

作為(wei) 一種新型醫療通信輔助設備，基於(yu) BTUSE 傳(chuan) 感器的免提打字通信係統在智慧醫療方麵具有較好的應用前景。

事實上，免提打字通信係統隻是該研究團隊成果的具體(ti) 應用之一。圍繞 BTUSE 傳(chuan) 感器，該研究團隊撰寫(xie) 了論文並於(yu) 近期發表在 Advanced Science。

論文標題為(wei) 《用於(yu) 肌肉觸發通信應用的仿生超靈敏自供電機電傳(chuan) 感器》（Bionic Ultra-Sensitive Self-Powered Electromechanical Sensor for Muscle-Triggered Communication Application），是由重慶大學賀顯明、郭恒宇、牟笑靜等人與(yu) 王中林院士合作共同發表。

圖 | 相關(guan) 論文（來源：受訪者）

以青蛙“咕呱”為啟發，研發出超靈敏自供電的仿生機電傳感器

摩擦納米發電機（TENG，Triboelectric Nanogenerator），是基於(yu) 接觸起電（contact electrification）和靜電感應（electrostatic induction）耦合，可收集人體(ti) 與(yu) 環境中的微小機械能的新型微能源技術。

自幾年前由王中林院士團隊首次發明以來，它已廣泛應用於(yu) 環境能量采集、自驅動傳(chuan) 感（人機界麵、穿戴式電子產(chan) 品、環境監測、醫療康複、智能書(shu) 寫(xie) 和語音識別等）和藍色能源等領域。

TENG 具有高輸出性能、輕薄、柔性和較好的穩定性等優(you) 勢，故可用於(yu) 開發穩定舒適的人機交互應用。

具體(ti) 以怎樣的形式交互？該研究團隊想到了仿生青蛙。

他們(men) 發現，當雄蛙呱呱叫時，由肌肉控製的大嘴輕微收縮（微運動），擠壓出來的氣流推動青蛙的外部聲囊發生明顯的變形。然後，聲帶的共振會(hui) 增強聲帶的聲音

受青蛙呱叫行為(wei) 的啟發，該研究團隊研發出這種基於(yu) TENG 的超靈敏自供電的仿生機電傳(chuan) 感器，它可將咬肌肌肉的實時微運動，轉化為(wei) 人機交互的控製命令。

圖 | 雄蛙呱呱叫（來源：受訪者）

如下圖所示，BTUSE 傳(chuan) 感器集成了具有放大效果的運動模塊、以及可產(chan) 生電信號的 TENG 模塊。運動模塊包括傳(chuan) 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(wei) 空氣呼吸通道。

圖 | BTUSE 傳(chuan) 感器的結構示意圖（來源：受訪者）

半徑為(wei) 14 mm、距離間隔層為(wei) 5 mm的傳(chuan) 感膜，就像青蛙的嘴一樣，會(hui) 隨著肌肉縮放而變形。

同樣，半徑為(wei) 7 mm 並與(yu) 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(chuan) 感膜的驅動下，它會(hui) 產(chan) 生大幅度變形。

圖 | 傳(chuan) 感器青蛙鳴叫（來源：受訪者）

這裏有個(ge) 小細節，所有薄膜都被設計成圓形，是因為(wei) 圓形邊界的曲率與(yu) 其他形狀相同，從(cong) 而能實現又小又均勻的應力分布。

接著，通過模擬口腔的結構和聲囊，該團隊使用柔性 PDMS 彈性體(ti) （聚二甲基矽氧烷，一種疏水的有機矽材料），製備出了傳(chuan) 感膜和可變形振動膜，這時便可將咬肌的微小波動，放大為(wei) 振動膜的大幅度變形。此時，再把 TENG 技術融入到仿生結構中，即可把薄膜的振動轉換為(wei) 電信號。

研究中，該研究團隊還運用摩擦材料摻雜改性技術，讓摩擦電層的表麵電荷密度實現最大化，借此增強摩擦電層的信號強度。

（來源：受訪者）

據悉，該傳(chuan) 感器的靈敏度為(wei) 54.6 mV mm -1、強度信號為(wei) ±700 mV、傳(chuan) 感範圍為(wei) 0-5 mm。相比傳(chuan) 統的生物電位肌電圖方法，它的信號強度高出 206 倍。

利用摩斯電碼和機器學習(xi) 算法，該傳(chuan) 感器可實現安全、準確且穩定的通信輔助人機交互應用，其中準確度達 96.3%。

BTUSE 傳(chuan) 感器可將用戶咬肌的實時微動，轉化成人機界麵的控製命令，同時作為(wei) 摩斯電碼的通信協議，可應用於(yu) 人機交互中。

基於(yu) BTUSE 傳(chuan) 感器的高性能，該研究團隊將 莫爾斯電碼作為(wei) 通信協議引入 HMI 應用，並開發出了上述免提打字通信係統。

（來源：受訪者）

原理基於接觸帶電和靜電感應的耦合

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/聚二甲基矽氧烷（Ag NWs/BaTiO3 NPs/PDMS）複合摩擦材料（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(wei) 一個(ge) 間隔層，頂部電極附著在振動膜上，當薄膜振動時，它與(yu) 摩擦材料接觸/分離。

下圖分別是傳(chuan) 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(ti) 驗。

圖 | 傳(chuan) 感膜、底部電極、摩擦層和最終組裝的傳(chuan) 感器（來源：受訪者）

下麵的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，分別顯示了銀納米線、摩擦材料和碳基導電膜的微觀形貌圖。它們(men) 的微觀形貌會(hui) 影響器件的信號強度。

圖 | 銀納米線、摩擦材料和碳基導電膜的 SEM 圖（來源：受訪者）

該研究團隊表示，BTUSE 傳(chuan) 感器中的放大效應，源於(yu) 傳(chuan) 感膜和振動膜之間的尺寸差異。其中，肌肉運動會(hui) 導致傳(chuan) 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(ti) 積等於(yu) 振動膜的體(ti) 積。

圖 | 傳(chuan) 感膜和振動膜之間的尺寸差異（來源：受訪者）

BTUSE 傳(chuan) 感器產(chan) 生電氣輸出信號的原理，是基於(yu) 接觸帶電和靜電感應的耦合。下圖顯示了它在肌肉收縮和放鬆過程中的發電過程，包括電荷轉移行為(wei) 和 COMSOL 模擬的電位分布。

圖 | BTUSE 傳(chuan) 感器在肌肉收縮和放鬆過程中的發電過程，及電荷轉移行為(wei) 和 COMSOL 模擬的電位分布（來源：受訪者）

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

在傳(chuan) 感器的肌肉收縮階段，由振動膜驅動的頂部電極會(hui) 逐漸離開摩擦材料，這會(hui) 導致兩(liang) 層之間的電位差逐漸增加。

然後，電子會(hui) 從(cong) 頂部電極流到銀納米線底部電極。在肌肉鬆弛的中間階段，在傳(chuan) 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，這會(hui) 導致電位差逐漸降低，並會(hui) 讓外部電路產(chan) 生相反的電流。而這正是信號生成過程的整個(ge) 周期。

采用防水性材料與密封結構，可在出汗環境下穩定工作

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

為(wei) 實現對於(yu) BTUSE 傳(chuan) 感器性能的定量描述，他使用振動平台和位移傳(chuan) 感器來控製振動膜的變形。

實驗中，他們(men) 發現了一個(ge) 規律現象：隨著變形的增加，不同構型的傳(chuan) 感器的輸出，經曆了三個(ge) 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(ge) 階段分別對應 BTUSE 傳(chuan) 感器在肌肉驅動的小變形、大變形和過度變形中工作。該研究團隊還發現，薄膜厚度越薄，靈敏度和信號強度也越好。

緊接著，該團隊還研究了傳(chuan) 感器的表征如頻率響應、穩定性和防水。如前所述，一定範圍內(nei) ，BTUSE 傳(chuan) 感器的電學輸出會(hui) 隨著頻率增加而逐漸增大。為(wei) 研究長期實際應用中的穩定性和耐久性，該研究團隊以5Hz的頻率對其進行了 60 000 個(ge) 周期的重複變形實驗。

（來源：受訪者）

結果證明，整個(ge) 過程中傳(chuan) 感器的輸出始終保持穩定，由於(yu) 其外層的 PDMS 密封層，即便浸水後其輸出性能也不受影響，因此可在出汗環境下穩定工作。

談及未來，該團隊表示免提係統不是終點而是起點，病魔無情，科技有愛，未來我們(men) 會(hui) 致力於(yu) 研發更靈敏、更舒適、更友好的人機交互係統，讓人人都能感受到科技的魅力，享受到科技的便利。據世界衛生組織（WHO）統計，目前全球有 10 億(yi) 左右殘疾人。他們(men) 也被要求在疫情期間出示健康碼，這就得使用智能手機。

多數殘疾人用的手機，是基於(yu) 正常人的需求設計而來。智能產(chan) 品給正常人帶來了方便，但卻可能給他們(men) 帶來更大的不便，因此專(zhuan) 為(wei) 殘疾人設計的人機交互係統寥寥無幾。而該團隊的工作瞄準這一小眾(zhong) 群體(ti) ，正是科技向善的彰顯。


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