基于摩擦电的多功能离子型机械感受器：轻薄、透气、可拉伸，可用于人机交互

4. 本文展示了ITM在人机交互方面的应用，利用ITM可以实现对声音信号的传感，并基于ITM构建了噪声监测交互界面。

图1整体概述了本文报道的离子型摩擦电机械感受器具备的特征。该机械感受器为一种双层结构，下层为静电纺丝法制备的离子电极，上层为原位纺丝制备 的热塑性聚氨酯(TPU)摩擦层。由于采用了静电纺丝的制备技术，使得ITM具有极轻薄透气的特点，甚至可以漂浮在易破的肥皂泡之上，证明了ITM器件极其优异的轻薄与柔软性。基于摩擦起电的原理，该机械感受器可以自驱动地实现对人体日常活动的监测、对心跳脉搏等心血管生理信号的采集以及对声音震动信号的捕捉。这些功能充分展现出ITM未来在生物机械能收集，健康状态监测以及生物识别方面的应用前景。

图1. (b) ITM基本结构方案(上半部分)，超薄、超轻的ITM漂浮在易碎的气泡上的照片(下半部分)； (a和c)用于生物力学能量收集的ITM图像； (d和e) ITM用于健康状态监测(心血管监测)和智能可穿戴健康监测的未来愿景； (f和g) 模仿人类耳蜗基底膜的高灵敏度频率响应ITM，通过与机器学习算法协作实现智能语音用户界面。

IV 无创健康信号监测

ITM由于其轻薄柔软的特点，可以非常好的贴附于皮肤表面，收集脉搏跳动信号从而进行生理信号的检测。利用ITM采集到的脉搏信号具备诊断价值，不但可以得到脉搏频率，还可以通过脉搏波的波形得到典型的动脉硬化的评估参数，即∆tDVP，Alᵣ 和 DAI。其中，∆tDVP为P₁与P₂峰之间的时间差值；Alᵣ为P₂/P₁的比值，又被称作桡动脉增强指数；DAI为P₃/P₁的比值，又被称作径向舒张增强指数。通过IMT测得的∆tDVP，Alᵣ和DAI分别为356 ms, 0.59 和 0.31，符合一个健康的27岁男性的标准。除此之外，ITM还可以贴附于其他身体部位的皮肤表面，进行动作传感。如贴附于喉部，进行吞咽动作的传感；贴附于肘关节、指关节或是膝关节的表面，进行关节弯曲动作的传感；贴附于脚部，进行脚步动作的传感。以上的这些都展示出ITM在未来健康监测领域的巨大应用前景。

V 声音识别技术应用

语音是日常交流和信息传播最直观的生物信号。模拟人类听觉系统的智能语音识别系统的开发，是一个关键而又具有挑战性的课题，它涉及到两个主要部分，即先进的声学传感器和语音识别算法。声学传感器将声音波形转换成数字信号，转换后的信号可为语音识别软件提供测试数据。本工作则进一步将ITM制成了一种表皮型声学传感器，其结构及工作原理如图5(b)所示。当输入声音频率不变时，传感器的输出随着声音响度的增大而增大；当输入声音信号的响度不变时，传感器输出随频率的升高先增大后减小，在频率为110 Hz时输出可达最大值。基于这种声音传感器，我们构建了可以检测噪声水平的交互界面。当噪声小于80分贝时，虚拟机器人身上的指示灯呈绿色；当噪声高于80分贝而小于90分贝时，指示灯呈黄色；当噪声高于90分贝时，指示灯呈红色。最后，利用该声学传感器，我们还实现了对语音信号的检测与收集。当不同的人读相同的字母时，由于声带结构的不同发出的音色音调也不同，由声音传感器采集到的声音波形也是不同的，如图5(e)所示。

图5. (a)通过高灵敏度ITM和机器学习算法的合作，对智能生物识别应用的期望； (b)声波作用下ITM工作机理的横截面图； (c)改变声频和声压级时从ITM测得的电压信号； (d)用于监测噪音水平的虚拟声音检测机器人界面； (e)记录一名男性和一名女性的声音，以及相应的带有简单字母(“B”、“I”、“N”和“N”)的频谱图。