基于柔性可穿戴设备的人机交互界面作为人体与设备之间的桥梁，能够将人体各种动作指令转换成设备可识别的电信号，因而得到了广泛的关注和应用。在人机交互中，手指点击（）和滑动（）是两种常见的操作方式。但早期的柔性传感设备往往侧重于压力“点击”的动作，而“滑动”却很少被提及；再者，多指令交互界面往往依赖于器件的阵列，这无疑会增加整体器件的面积。“点击”是一种“有向性”的操作，当只使用一个器件而非阵列时，如何识别手指滑动的方向并输出可识别的信号是必要的前提。
鉴于此电动势的定义，澳门大学周秉璞研究团队与五邑大学罗建义教授团队提出了一种基于电磁感应现象、可识别手指滑动方向的可穿戴柔性人机交互界面。通过设计轴向（水平）磁化的柔性微柱阵列，手指滑动压力可实现微柱阵列向不同方向偏转时，底部柔性线圈中感应到的磁通量正负值之差，从而得到完全相反的电压输出信号。该传感器在不同方向的外力刺激下可输出可区分的电信号，因此有望在多模态人机交互、智能控制等场合发挥作用。相关研究成果以《--利用传感器实现自我和高人机交互》为题发表在Nano杂志上。文章第一作者为澳门大学应用物理与材料工程研究所博士生丁森。 该工作得到澳门科学技术发展基金（0088/2021/A2、0026/2020/AGJ）的支持。
图1 基于电磁感应的柔性交互界面工作原理示意图。
人机交互界面由多个轴向磁化的柔性PDMS/NdFeB微柱和下置的铜线圈组成。如图1所示，每个轴向磁化的微柱可看作是沿轴向分布磁极的微型柔性磁体。当施加水平应力时，微柱会发生弯曲变形，穿过下方线圈的磁通量将发生变化；根据法拉第电磁感应定律，当微柱向不同方向弯曲变形时，穿过线圈的磁通量变化的符号将完全相反，线圈中感应电动势的波形也将完全相反。通过线圈中感应电动势符号的差异，可以识别手指“扫”的方向，从而实现不同场合的人机交互应用。
图2 人机交互界面多维表征与性能优化。(a)人机交互界面的可穿戴与形态展示。(b)交互界面整体性能优化。(c)不同方向磁化的微柱阵列。(d)不同方向磁化的微柱阵列变形后线圈中感应电动势对比。
柔韧性和可穿戴性是考虑人机界面实用性的另一个维度。由于整个界面由PDMS、NdFeB颗粒和激光加工后的铜箔构成，因此表现出了良好的柔韧性（图2a），此外该装置整体体积小、重量轻，易于穿戴。为了平衡电响应性能和形变能力，作者进行了一系列优化实验（图2b），最终确定了一个5×5的阵列，单个微柱半径为0.25 mm，高度为3 mm，相邻微柱之间的间距为1 mm。与纵向磁化不同，轴向磁化的设计赋予了这种界面区分方向的能力。作者进一步比较了不同磁化方式的微柱阵列的响应能力，图2c为不同方向磁化后的微柱阵列形貌特征。 沿纵向磁化的微柱阵列两端相互排斥，沿轴向磁化的微柱阵列两端相互吸引。图2d给出了磁化方向对方向辨别能力及人机交互能力的影响。沿纵向磁化的微柱阵列在不同方向弯曲偏转时只能输出一种信号，而沿轴向磁化的微柱阵列可以输出两种完全不同的信号电动势的定义，从而在后续的电路信号处理中获得更多的可能性。
图3 人机交互应用演示。（a）基于滑动方向的移动翻页器。（b）在水下仍能稳定运行的摩尔斯电码。（c）铅球游戏界面。
经过后续电路的滤波、放大和传输，即可针对不同的场合设计出相应功能的人机交互界面。图3a是基于滑动方向的手机翻页器，当手指向不同方向滑动时，线圈中感应电动势的符号将完全相反，经过后续电路处理，即可方便直观地实现手机翻页功能。此外，磁场的变化不易受到周围环境温度、湿度的影响，稳定性好。通过定义不同的感应电动势，可实现在水下仍能稳定工作的摩尔斯电码系统（图3b）。在滑动过程中，柔性微柱的变形和恢复会在线圈中感应出两个符号相反的电动势，两个电动势之间的时间间隔可手动控制（图3c）。因此，作者还开发了铅球游戏。 游戏过程中，当立柱发生形变时，游戏角色开始积蓄动力，并根据电动势的符号选择铅球的投掷方向；当用户松开立柱，使立柱恢复到初始状态时，游戏角色进行铅球投掷，整个积蓄时间可手动控制。通过对整个可穿戴系统的优化，作者展示了该接口在自供电响应与稳定性、方向识别等方面的优势，以及在人机交互中的应用潜力。
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