作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 面向人类和机器人的超薄、可拉伸、机械感知的多功能人机界面设备
(一)超薄多功能人机界面装置的分解示意图
(二)该装置在人体前臂上的光学图像
插图是放大的图像
(三)在一块复制的皮肤上的扫描电镜图像
机械变形下人体皮肤上的光学图像:压缩(左)和拉伸(右)
(五)机械手温度传感器阵列的分解示意图
机械手上温度传感器阵列的光学图像
插图是放大的图像
温度传感器阵列的扫描电镜图像
机械变形下机械手温度传感器阵列的光学图像:弯曲(左)和拉伸(右)
照片荣誉:休斯顿大学承宪
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aav9653 可穿戴电子人机界面是一类新兴的设备，用于促进人机交互
电子、材料和机械设计的进步为商用可穿戴人机界面设备提供了途径
然而，现有的设备是不舒服的，因为它们以缓慢的响应时间和实现多种功能的挑战来限制人体的运动
在最近的《科学进展》报告中，承熙和一个跨学科的研究团队在美国研究材料科学和工程、机械工程、生物医学工程、电子和计算机工程
S
和中国，详细介绍了一种新型聚合物的开发
在这项工作中，他们设计了一种基于聚合物溶胶凝胶处理的铟锌氧化物半导体纳米薄膜超薄可拉伸电子器件
优点包括多功能性、简单的制造工艺、不易察觉的磨损和坚固的接口
多功能可穿戴人机界面设备从用于数据存储的电阻随机存取存储器到与开关电路接口的场效应晶体管
其他功能包括用于健康和身体运动传感的传感器，以及传送温度的微型加热器
在测试了单个组件的独特性能后，Sim等人
将人机界面设备设计成人类的无缝可穿戴设备和机器人的人工皮肤，以提供智能反馈并形成闭环人机界面系统
可穿戴人机界面作为人和机器之间的直接通信路径
该接口可以感测来自佩戴者的物理或电生理参数，并便于机器执行相应的功能
电子、材料和机械设计的最新发展使人机界面设备更加先进
然而，这种可穿戴设备对于无缝集成来说仍然是半软和不舒服的，因为不能变形和适应一系列动态的人体运动
与感兴趣的要求完美匹配的软电子材料为构建可拉伸、可穿戴的人机界面设备提供了一种替代方案
然而，软橡胶材料具有响应时间慢的特点，在循环变形时经历相当大的滞后
相比之下，无机材料可以表现出快速的响应时间，并且在用作可穿戴电子器件和传感器时经历相当大的滞后
将超薄不易察觉的人机界面设备转移到人的前臂上
(一)在玻璃上用水制作的装置
(二)电子产品上的羊皮纸层压
(三)剥离羊皮纸，取回人机界面设备
羊皮纸上人机界面设备的图像
将羊皮纸与前臂上的人机界面设备层压在一起
剥离羊皮纸
前臂上转移的人机界面设备的图像
(图片来源:休斯顿大学承宪)
学分:科学进步，doi: 10
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aav9653 独特的材料特性有助于褶皱、蛇形和基里加米形状成为具有柔软和可拉伸特性的人机界面设备的关键使能因素
然而，为了实现包括传感、开关、刺激和数据存储在内的多种功能，研究人员仍然必须开发多种类型的电子功能材料，以及异构集成技术，例如转印
这种器件具有复杂的制造过程、工程不兼容性、低可扩展性和高成本
此外，为了团队人机界面，材料科学家需要对交互、评估和通信参数有更广泛的理解
因此，人和机器都需要可穿戴人机界面设备来有效地形成闭环路径
因此，机器人材料领域的研究旨在开发可穿戴人机界面设备，以弥补现有的技术差距
在目前的工作中，Sim等人
开发了一种超薄的、机械上不可感知的、可拉伸的人机界面设备，可佩戴在人体皮肤和机器人上，分别捕捉物理数据和提供智能反馈，以创建闭环人机界面系统
他们在没有结合多种功能材料、器件或过多异质集成步骤的情况下开发了这些材料
该装置设计为超薄、曲折、具有机械拉伸性的开放网状结构，允许用户完全意识不到该装置，同时提取用户的有用信号
这种可穿戴设备从人体肌肉中收集信号，直接引导机器人，让用户感受到机器人手的感受
研究团队共同研究了材料和设备的设计、制造和表征，以展示金属氧化物纳米膜在人机界面设备多功能应用中的基本方面
随机存取存储器和场效应晶体管的特性
(一)基于IZO纳膜的雷姆分解示意图
(二)反射镜的光学显微图像
(三)铁电存储器双极开关的伏安特性
(四)资源回收的资源回收周期
(五)基于IZO纳膜的应变状态下的连续图像和相应的IZO有限元分析结果
(六)LRS、HRS和ILRS/IHRS的电流紧张
IZO场效应晶体管的示意分解图
场效应晶体管的光学显微图像
场效应晶体管的输出特性
场效应晶体管的传输特性
应变下场效应晶体管的连续图像和相应的IZO有限元分析结果
(1)计算应变下场效应晶体管的IZO和离子的场效应迁移率
学分:科学进步，doi: 10
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aav9653 Sim等人
用基于铟锌氧化物(IZO)纳米薄膜的随机存取存储器(随机存取存储器)阵列、场效应晶体管(场效应晶体管)阵列、分布式温度传感器、紫外线传感器、应变传感器和基于金(金)的热模拟器组成人机界面设备
他们通过在刚性玻璃支撑基底上旋涂，在一层薄的(~2米)聚酰亚胺(PI)层上设计了所有的器件，以使器件易于独立释放
经过许多复杂的工程步骤后，他们通过将器件浸入缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)中，将器件从玻璃平台上释放出来，从而完成了器件制造
科学家们使用羊皮纸，然后在没有额外粘合剂的情况下将该设备转移到人类手臂上
他们使用扫描电子显微镜显示皮肤聚合物在与皮肤接触时不会发生分层
为了在人和机器之间形成闭环人机界面系统，科学家们类似地开发了一种由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和一系列传感器组成的人造皮肤，以模拟人皮肤的感觉功能，并将其实现在机器人手上
Sim等人
对聚合物溶胶-凝胶处理的IZO纳米薄膜氧化物半导体进行了详细的表征，这是实现多种功能而无需异质集成的关键
由于内存等数据存储设备是可穿戴式人机界面的组成部分；科学家们用聚酰亚胺封装的金/IZO/金夹层结构构建了基于IZO纳米膜的可拉伸薄膜
在足够的电压下，它们产生氧离子和氧空位，在两个电极之间形成导电细丝，使电流从高阻态(HRS)剧烈过渡到低阻态(LRS)
当他们在特定电压下施加反向偏压时，氧空位被中和，导致导电细丝破裂，电流急剧下降
Sim等人
执行写入-读取-擦除-写入(WRER)循环和保留测试，以评估基于IZO纳膜的ReRAM的可靠性，结果显示稳定运行且无退化
顶部:紫外线和温度传感器的特性
(一)基于IZO纳膜的紫外传感器的分解示意图
(二)紫外传感器的光学显微图像
(三)紫外线传感器的伏安特性
(四)IZO紫外传感器校准曲线
紫外传感器在应变下的连续图像和IZO的相应有限元分析结果
(六)IUV/艾达克紫外线应变仪
(七)IZO温度传感器的分解示意图
温度传感器的光学显微图像
(一)温度传感器的校准曲线
(J)温度传感器的低噪声系数与1000/吨的关系图
IZO温度传感器在应变下的连续图像和IZO的相应有限元分析结果
(1)温度传感器在应变下的相对电阻变化
底部:应变传感器的特性
(一)IZO应变传感器的分解示意图
(二)应变传感器的光学显微图像
(三)应变传感器的校准曲线
(四)应变传感器在循环拉伸和松弛下的相对电阻变化
(五)应变传感器在应变下的序列图像和相应的IZO有限元分析结果
学分:科学进步，doi: 10
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aav9653 他们通过使用定制的拉伸器在不同程度的机械拉伸下测试ReRAM，证实了机械应变对器件性能的影响
结果表明，半导体在拉伸时受到的应变很小，可以忽略不计，反映了器件的合理设计
结果表明，该器件在机械应变下稳定工作的能力没有实质性的退化
该设备中使用的场效应晶体管类似地形成了人机界面界面和开关电子设备的基本构件
然后，科学家们测试了这种超薄的可穿戴聚合物紫外线传感器，以及它在减少皮肤病风险的应用中监测紫外线暴露的能力
同样，他们通过测量超薄可拉伸热敏电阻在不同温度下的电阻来测试皮肤温度的影响，皮肤温度是健康的一个重要指标
他们计算出的温度系数可与市售的体积庞大的热敏电阻相比
研究小组还开发了一种基于IZO纳膜的应变传感器，用于人和机器人之间的通信，以突出IZO材料的多功能性
Sim等人
将实验结果与有限元分析(FEA)进行比较，以计算不同程度的机械拉伸下IZO传感区域的应变分布
模拟结果与实验结果吻合良好
顶部:闭环人机界面示意图
底部:可穿戴闭环人机界面
(一)控制机械手的人体运动的代表性图像
(二)不同人体运动下人体皮肤上应变传感器的电阻变化
(三)模仿人体运动的代表性图像
(四)模拟人体运动的应变传感器电阻变化
(五)机器人手的典型图像，温度传感器接触人手
(六)人手握住机器人时，机器人手上温度传感器的电阻变化
电阻式微加热器的分解示意图
微加热器的红外温度图
(一)不同外加电压下的动态温度变化
(J)微加热器的校准曲线
照片荣誉:休斯顿大学承宪
学分:科学进步，doi: 10
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aav9653 在测试了多功能设备的各个功能后，Sim等人
展示了闭环交互式人机界面的多功能性
当人体皮肤上的可佩戴传感器检测到诸如应变引起的人体运动的信号时，检测到的信号可以控制机器人手的运动
例如，当研究小组把IZO应变传感器放在人的肩膀上时，它通过人手臂的运动或当用户抓住一个物体时来检测应变
平行地，基于机器人手的IZO温度传感器的假体皮肤检测外部环境或被抓物体的温度，以确定施加到人体皮肤上的软热刺激器以传递感觉的apt电压
在一系列这种记录交互的基础上，科学家们创建了一个交互式闭环人机界面系统
通过这种方式，承熙和他的同事设计了一种聚合物溶胶凝胶处理的IZO金属氧化物纳米膜，并展示了它相对于超薄软存储器件、晶体管、温度传感器、应变传感器和紫外传感器的多功能性
他们在一个单一步骤的过程中同时形成了多功能装置，没有任何异质集成
超薄可拉伸电子可穿戴传感器、人工皮肤和用于人机界面的执行器设备的组合证明了闭环人机界面系统的可行性
这种设置将为具有成本效益、可扩展制造和可穿戴人机界面设备铺平道路，这些设备能够与用户无缝集成
科学家们设想，可穿戴人机界面将成为一项重要技术，具有增强的功能、舒适性和便利性，有助于机器和人类之间的有效合作
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