Nano-Micro Letters可穿戴电子元件可以贴敷在人体或皮肤上，用于监测人体健康。因此，以HMI为基础的可穿戴电子产品通过分析微小运动产生的数据，使得人类活动数字化。值得注意的是，半导体技术的快速扩展和部署为无数传感器和处理器之间的无线网络互连提供了具有成本效益的手段，刺激了HMI的可视化发展。因此，蓬勃发展的人机界面扩大了对智能传感器的需求，这些传感器提供了人与机器之间的关键连接，允许更有效、更简单的方式来实现更多所需的工作。可穿戴电子/光子等电子设备有望与物联网无线互联，为我们的目的地和行动提供全面的实时监控。然而，可穿戴电子设备的显著进步需要大量移动电源，然而在许多情况下移动电源仍然是传统设备，使用寿命有限。摩擦电纳米发电机(TENG)解决了以上应用局限。TENG作为一种创新的能量收集技术，在纳米技术和能量收集方面有着巨大突破。基于TENG—人机交互技术正在经历蓬勃发展，可以用于可穿戴传感器、医疗监测、能量转换等领域。在过去的几年里，基于TENG的HMIs被用于跟踪轨迹模式或识别字母，从而实现实时响应和可持续监测。虽然通过基本的字母识别实现了人与机器之间的交互交流，但仅仅依靠输出信号或模式识别并不能实现复杂的书写过程。而书法在个人发展中尤为重要，它与个人的行为特征密切相关，是人与人之间交流的重要组成部分。此外，传统的书法板，仅用于日常练习，没有详细的笔画追踪，达不到字体练习和批改的要求。因此，对书写步骤进行实时、连续的追踪与提示是练习或纠正字母审美乃至准确性的关键。
Shen Shen#, Jia Yi#, Zhongda Sun, Zihao Guo, Tianyiyi He, Liyun Ma, Huimin Li, Jiajia Fu*, Chengkuo Lee*, Zhong Lin Wang*
Nano-Micro Letters (2022)14: 225
本文亮点
1. 使用可生物降解的羧甲基壳聚糖-蚕丝(CSF)薄膜设计了一种可穿戴摩擦电纳米发电机(CSF-TENG)。
2. 采用胰蛋白酶和溶菌酶对CSF薄膜进行体外生物降解。经过11天降解， CSF膜的降解率达63.1%。
3. 基于CSF-TENG人机交互界面设计直观的书写系统，快速跟踪书写步骤，提前标出书写笔画，评估书写字母的准确性。
内容简介
图文导读
图1a展示了羧甲基壳聚糖与SF溶液交联制备CSF膜的工艺流程。常温下，羧甲基壳聚糖溶解于去离子水中形成溶液。在上述溶液中加入SF，快速滴加EDS盐，同时不断搅30min，待液体均匀稳定后置入烘箱干燥。最后将形成的CSF膜用无水乙醇透析，置换出未反应的EDS盐。接着通过测量复杂力学变形能力来直观地评价CSF薄膜的物理性能。所制备的CSF薄膜可以承受扭转、卷曲状态、线性拉伸等力学变形下的多维应变，在可穿戴传感器、身体监测和人机交互方面具有巨大潜力(图1b-e)。
图1.制备过程和潜在应用场景的示意图：(a)CSF膜的制作步骤示意图；(b) CSF膜扭曲和拉伸的照片；(c-e)用于HMI、手写识别和AI操作的CSF-TENG示意图。
图2a-c的SEM图像展示了SF、羧甲基壳聚糖和CSF膜的微观形态特征。纯SF表面为光滑致密的膜结构，无法捕获到微孔形貌(图2a)。对于羧甲基壳聚糖薄膜，可以看到堆积形成的开放大孔和不规则的阶梯式分层的多孔结构(图2b)。此外，由于内部结构的不规则排列，羧甲基壳聚糖的表面呈起伏状。而CSF膜表面具有网格结构，且在网络内有大量的凹窝，同时孔径增大，说明SF与羧甲基壳聚糖交联影响了两者的形态结构(图2c)。借助XRD测定了所有样品的晶型结构。羧甲基壳聚糖的XRD图谱如图2d，在20.5°处出现宽峰，与前人研究一致。在20°左右的衍射峰归因于SF的非晶结构。从CSF膜的XRD曲线中可知，CSF膜保留了SF和羧甲基壳聚糖交联后的衍射峰，但与两者有明显不同。值得注意的是，CSF膜的衍射峰峰值明显减弱，峰宽变宽。这种明显变化是由于CSF膜中存在大量的无定形SF以及SF与羧甲基壳聚糖之间的相互交联作用。FTIR结果也充分说明了SF和羧甲基壳聚糖的相互交联。由图2e可知，在SF和羧甲基壳聚糖FTIR谱图中，位于1616cm⁻1、1518cm⁻1和1232cm⁻1的特征峰分别来自C=O(酰胺I)、N-H(酰胺II)和C- N &N-H(酰胺III)。3279cm⁻1处的特征峰为氢键N-H和O-H拉伸振动。羧甲基壳聚糖的光谱在1050cm⁻1和1130 cm⁻1处有吸收峰，是典型的糖类结构峰。此外，分别在1652 cm⁻1和1573cm⁻1处检测到酰胺I和酰胺II的吸收峰，表明壳聚糖具有明显的脱乙酰现象。值得注意的是，在CSF 1:1薄膜检测到SF和羧甲基壳聚糖所有的特征峰，表明SF和羧甲基壳聚糖成功交联。
图2. CSF膜的微观形貌、结构和生物降解性能：(a-c) SF、羧甲基壳聚糖和CSF膜的扫描电镜图；(d) SF、羧甲基壳聚糖、CSF膜的XRD谱；(e) SF、羧甲基壳聚糖和CSF膜的FTIR光谱；(f)胰蛋白酶-溶菌酶溶液生物降解CSF膜18h后紫外吸收曲线变化；胰蛋白酶-溶菌酶和残余CSF膜溶液照片(插图)；(g)胰蛋白酶-溶菌酶溶液对CSF膜的生物降解；(h) CSF膜和残余CSF膜的照片(i-ii); CSF膜生物降解过程图片(iii-iv)。
图3. CSF-TENG工作原理和输出性能：(a) CSF-TENG的结构示意图；(b)用于能量收集接触分离模式CSF-TENG的工作原理示意图；CSF-TENG的电输出性能；(c)不同SF浓度下的CSF-TENG的Voc、Qsc和Isc；(d-f)不同频率(0.5-2 Hz)下CSF-TENG的电输出性能，包括(d) Voc， (e) Qsc，(f) Isc；(g)不同外部电阻下电压和功率密度的变化曲线；(h)不同电容(1-22μF)下的充电性能；(i) CSF-TENG稳定性。
接着，本文制备了一系列含有不同质量SF (2g、1g和0.5g)的CSF薄膜。在CC: SF质量比为2:1、1:1、1:2、1:0条件下，评估SF用量对CSF-TNEG电输出性能的影响(图3c)。结果表明，1:1的输出电性能最好(140V、1.32 μA、64nC)，而2:1和0:1的输出电性能逐渐变差。此外，优化后的CSF-TENG在不同频率(0.5-2Hz)下得到的最大Voc、Qsc和Isc分别为165 V、77nC和2 μA(图3d-f)。此外,在不同压力(0.65N-12.67N)下测定了CSF-TENG的Voc、Isc和Qsc。随着压力从0.65 N增加到12.67N，整个电输出呈线性增加。这种现象是由于压力递增，增大了接触分离面积，导致更高的电输出。为了获得外部负载下电能性能，在不同外部电阻条件下测量峰值电压 (图3g)。在电阻为1 GΩ时，电压约为165 V，而输出功率密度峰值为72 mW/cm2。将CSF-TENG用于电容器充电，充电速率随电容的减小而增大(图3h)。最后，我们进行CSF-TENG稳定性测试，从图3i可以看出，30min后Qsc没有发生恶化，说明CSF-TENG稳定性良好。
II CSF-TENG人机交互用于书法练习与修正
图4. 使用CSF-TENG书写字体细节说明：(a-i)笔画“-”的电信号输出:笔画“-”在书写板上的详细步骤和输出。(a-ii)笔画“|”电信号输出:书写板上笔画“|”的详细步骤及输出。(a-iii) 笔画“/” 电信号输出:书写板上“/”的详细步骤和输出。“1、2、3、4、5、6”代表电极；(b)字母F的不同步骤书写结果展示：(c) 字母F的标准书写步骤，基于CSF-TENG人机界面F字母识别流程示意图；(d-f)写字母“F”的电输出信号；(g) CSF-TENG的结构；(h -i) 书写字母“H”和“K”的电输出信号，基于CSF-TENG的人机界面对字母“H”和“K”的识别和书写顺序示意图。
图5. 基于CSF-TENG的人机界面的不同应用：(a) Unity 3D中实现VR控制书写步骤截图，以及3个字母书写步骤的照片(插入)；(b)三个字母对应的CSF-TENG电输出信号和通过CSF-TENG控制车辆的原理图和实时信号：(c)基于CSF-TENG人机界面车辆控制示意图；(d) CSF-TENG在四个方向对车辆控制对应的电输出信号(i-iv)：包括前进/后退控制，左/右控制(插图)；可穿戴式无线通信板：(e)无线通讯板系统的电路连接；(f)屏幕显示相应图标和(g)按下图标时的实时信号。(V、H代表垂直通道和水平通道，如垂直通道5和水平通道5分别缩写为v5和h7)。
III CSF-TENG人机交互不同应用场景
虚拟现实和增强现实技术的蓬勃发展为其在社交媒体和个人参与中的潜在应用提供了创造性途径。因此，我们在Unity 3D中设计了一种训练程序来验证对VR书写的控制。在执行命令前，每个传感器通道都连接到Arduino进行数据采集，Python实时处理接收到的数据，然后向Unity 3D发送运动命令。Unity 3D接收到预测步骤命令，并将其转换为虚拟笔的动作，如图5a所示。在演示过程中，选择三个字母N、U和S进行识别并控制虚拟笔。当用户开始书写字母时，步骤将同步到虚拟空间。接下来，Unity 3D中的虚拟笔响应虚拟板中的相应顺序。这三个字母的电输出和VR演示如图5b所示。此外，CSF-TENG人机交互系统还实现了对机动车辆的移动路线控制，其中箭头分别表示向前移动、向后移动、向左移动和向右移动。机动车辆控制原理如图5c所示，输出信号经单片机采集和处理之后将信号转换为数字信号，数字信号传递给第二个单片机并转化信号发出指令，以此实现对车辆的控制。在操作过程中，利用跟踪手指在CSF-TENG器件阵列上滑动轨迹来控制车辆运动方向。例如，当手指从底部滑动到顶部时，CSF-TENG从垂直通道5到水平通道7产生电信号，从而控制车辆向前、向后、向左和向右移动。为了给患者、老年人等特殊人群提供简单直观的沟通指令，分别给出了喝水、躺下、坐起、紧急联系、康复训练5个像素点，通信板电路连接如图5e所示。如图5f所示，当按下紧急联系人时，计算机屏幕上会显示相应的要求。同样，当手指触摸到第二个像素时，相关图标出现，这些演示验证了可穿戴电子设备在实现多功能人机界面应用上的潜力。
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