碳基传感器有望促进无缝人机界面

机器与人类之间的交互对于元宇宙新技术的发展至关重要，这些新技术旨在通过云计算和扩展现实(XR)增强人类体验。石墨烯是一种二维碳材料，已成为可穿戴传感器技术的理想候选者，为无缝人机交互(HMI)的新时代铺平了道路。

中国北京清华大学任天令领导的材料科学家团队最近概述了基于石墨烯的 HMI 传感器技术的现状，以推进该领域的研究。灵活、轻便且可连续佩戴的先进传感器技术是 HMI 的理想选择，在虚拟世界的沉浸式虚拟世界和可穿戴医疗保健技术中都有潜在的应用。目前的研究旨在创建能够连接几乎所有可测量的身体部位的传感器，包括大脑、眼睛和嘴巴。然后，这些测量结果可用于通过接口机器来表征身体信息。

该团队于 2023 年 8 月 13 日在《Carbon Future》 上发表了他们的评论。

“在这篇评论中，我们概述了我们的研究团队为人机界面创建基于石墨烯的传感器的一些努力。这些传感器设计用于人体的各个部位，重点介绍了它们的目标信号、设计、制造工艺和性能特征。此外，我们还深入研究了基于石墨烯的传感器未来的潜在发展，包括多模态、提高舒适性和智能化。”该综述的资深作者、集成电路学院教授、副院长任天岭说。清华大学信息科学与技术学院. 任博士还是中国教育部长江学者特聘教授、清华大学环境与健康传感技术中心副主任。

石墨烯由排列成六方晶格的单层碳原子组成。石墨烯的独特性能，包括令人印象深刻的导电性、低化学反应性、灵活性和重量轻，使该材料成为人机界面传感器开发的理想选择。

研究小组概述了基于石墨烯的传感器所取得的进展，该传感器旨在测量来自身体的各种不同信号。“人体的许多部位，从头到脚，都有潜力被开发成人机界面。大脑、眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴、喉咙、指尖、皮肤、关节、脚都可以作为基于脑电图(EEG)、肌电图(EMG)、眼电图(EOG)、眼动、光、呼吸的HMI界面、声音、触觉、温度、动作、步态等生理信息。”任天灵说。

人类还可以从机器生成的输出中受益，并且可以在信号测量(例如声音感知)和信号输出(例如声音生成)之间交替的多模式传感器的开发对于 HMI 特别有用。任的团队在之前的一项研究中展示了石墨烯的声音产生。 任天令表示：“借助机器学习，这个界面可以实现语音识别、情感分析、内容处理等，非常适合智能机器人通信。”

基于石墨烯的传感器开发的挑战之一是实现足够大的测量范围以检测非常动态的感觉，例如触觉。为了解决这个问题，人们使用松散堆叠的激光刻划石墨烯(LSG)薄膜开发了具有宽灵敏度范围的石墨烯压力传感器，该薄膜的密度随着压力的增加而增加。增加的薄膜密度反过来会引起测量电阻的变化，其范围足够大以实现高灵敏度。

研究团队预计此次审查将刺激新型石墨烯传感器的开发，这些传感器旨在促进更自然的人机界面并改善医疗保健领域的实时数据收集和响应。“用于 HMI 的石墨烯传感器预计在未来几年将变得更加多样化和实用。在身体的同一部位，人和机器可以以多种不同的方式与不同的信号进行交互。”任天灵说。

其他贡献者包括清华大学集成电路学院和北京信息科学技术国家研究中心 (BNRist) 的 Tianrui Cui、Ding Li、Thomas Hirtz、Jiandong Xu、Yancong Qiao、Haokai Xu、He Tian 和 Yi Yang。中国北京; 和清华大学 BNRist 的刘厚芳。

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