HMIs在人和機器之間的交互中發(fā)揮著關鍵作用。大多數(shù)現(xiàn)有的可穿戴HMI設備使用低頻（1-10赫茲）的觸摸或手的動作，如輕拍、彎曲和顫振，以向機器傳遞簡單的命令。

  HMIs的最新發(fā)展需要高頻信號檢測、增強現(xiàn)實、增強現(xiàn)實(AR)和物聯(lián)網(wǎng)(iot)，需要對HMIs進行精確和直觀的控制，以傳遞來自人類的各種感官和生物信號。除了物體的低頻觸覺映射外，還需要基于高頻振動(80-300Hz)檢測的粗糙度和表面紋理感知，以便機器人皮膚精確地感知和操作物體。在各種候選的動態(tài)傳感器中，摩擦電傳感器(TESs)無需額外的電源就能在高頻動態(tài)刺激下立即響應。

  韓國蔚山國立科學技術研究所Hyunhyub Ko課題組與Jae Joon Kim課題組合作報道了一種基于鐵電復合材料的分層大圓頂/微孔/納米顆粒結構的雙模HMIs的頻率選擇性聲學和觸覺傳感器。該傳感器在大范圍的動態(tài)壓力和共振頻率范圍內顯示出高靈敏度和線性，這使得在寬頻率范圍(145-9000Hz)內具有較高的聲頻率選擇性，從而使噪聲無關的語音識別成為可能。

  作者將頻率選擇多通道聲學傳感器陣列與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結合，對從100到8000Hz的不同頻率噪聲顯示了超過95%的精確語音識別。證實了雙模傳感器在廣泛的動態(tài)壓力范圍下具有線性響應和頻率選擇性，有助于區(qū)分表面紋理和控制機器人同時使用聲學和機械信號作為輸入，而不受周圍噪聲的干擾。

  圖1：用于動態(tài)界面應用的分層設計的鐵電復合材料。(A)使用大圓頂(MD)、微孔(MP)和納米顆粒(NPs)的分層結構的TES示意圖。(B)分層鐵電復合材料的各結構成分對TESs壓力敏感性的依賴性示意圖。(C)圖顯示了TESs的頻率選擇性取決于分層鐵電復合材料的結構設計。(D)TESs在各種動態(tài)接口設備中的應用，包括與噪聲無關的語音識別、紋理感知、動態(tài)運動檢測和使用機械手進行接口。

  圖2：分層TESs在動態(tài)HMI中的應用。(A)HMI應用智能手套示意圖，實現(xiàn)機器人手的紋理感知和遠程控制。插圖顯示了具有傳感器、封裝層和膠帶的每個像素組成。(B)不同線形圖案寬度分別為1.5、1.25、1、0.75mm的目標表面紋理的光學圖像。通過掃描表面紋理而產(chǎn)生的輸出電流的(C)STFT。(D)神經(jīng)網(wǎng)絡可以識別不同的紋理和表面粗糙度。(E)HMI應用的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中的控制框圖和電子電路。(F)智能手套上的分層TESs的輸出電壓作為彎曲角度的函數(shù)。單位，任意單位。(G)單像素智能手套使用不同彎曲動作的機械手運動控制照片。(H)使用多像素智能手套控制機械手運動的照片。（I）由聲音驅動的HMI應用程序的照片。(J)在分離的工作范圍內使用頻率采集來演示機械手的運動控制。

  作者開發(fā)了基于鐵電復合材料的高線性和靈敏度的TESs，其分層結構包括MD，MP和陶瓷納米顆粒。其實現(xiàn)機理是：分層幾何結構誘導了不同模量和高變形能力的非均勻材料界面上的應力集中，提供了應力極化的線性梯度，這提高了在較寬的動態(tài)壓力范圍（0至70kPa）內的高靈敏度（36nA/kPa）和線性度（1V/kPa）。

  作者通過在用于識別聲波、表面紋理和動態(tài)運動的動態(tài)接口設備中使用它們，演示了所提出的TESs的能力。利用分層TESs的結構設計，TESs的諧振頻率易于調諧，允許在寬頻率范圍(145至9000Hz)上實現(xiàn)高聲選擇性。這使得在與噪聲無關的語音識別設備的情況下，一個較高的準確率超過95%。此外，TESs的高靈活性和線性響應率有助于檢測和區(qū)分表面的精細紋理和機器人手的多功能運動。因此，分層TESs作為動態(tài)接口應用的下一代傳感器具有較大的潛力。

參考鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9220