現(xiàn)代社會(huì)中，人機(jī)交互技術(shù)（Human-Computer Interaction Techniques，HCI）已經(jīng)成為日?；顒?dòng)中的重要組成部分。例如日常生活中的Siri、小愛(ài)同學(xué)，乃至具備專業(yè)性功能的觸控機(jī)械臂、手術(shù)機(jī)器人等等，人與機(jī)器之間不同形式的應(yīng)用交互正在為人們的工作和生活帶來(lái)翻天覆地的變化。

日前，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院神經(jīng)工程研究中心研究員、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院-阿聯(lián)酋大學(xué)（SIAT-UAEU）智能感知與能量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人邰艷龍博士，就“柔性傳感接口及人機(jī)交互應(yīng)用”開(kāi)展分享與討論，介紹了他在人機(jī)交互領(lǐng)域和柔性電子設(shè)備領(lǐng)域中的研究歷程和經(jīng)驗(yàn)。

邰艷龍同時(shí)擔(dān)任中科院深理工（籌）雙聘教授、深圳市微波產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電子材料專家等，其先后在美國(guó)、德國(guó)、沙特等從事柔性電子領(lǐng)域研究10余年，于Science Advances、Matter、Advanced Materials等國(guó)際期刊發(fā)表論文40余篇，并申請(qǐng)中國(guó)、美國(guó)和PCT國(guó)際專利15項(xiàng)。

談及相關(guān)智能設(shè)備的未來(lái)發(fā)展，邰艷龍表示，人機(jī)交互技術(shù)正在朝著“自然、精準(zhǔn)、安全”的方向不斷發(fā)展，想要實(shí)現(xiàn)這一目的，使用更加輕薄、高效的柔性傳感接口硬件將有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的信息獲取以及解碼、應(yīng)用，從而成為下一代人機(jī)交互技術(shù)的強(qiáng)大助力。

下一代人機(jī)交互的基礎(chǔ)：面向類腦及超腦智能的柔性傳感接口

隨著人機(jī)交互技術(shù)的不斷前行，特別是混合現(xiàn)實(shí)、元宇宙等新技術(shù)場(chǎng)景需求的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)用于信息獲取感知單元的剛性接口硬件已經(jīng)難以滿足需求。與之相比，柔性傳感接口在實(shí)現(xiàn)高效信息傳導(dǎo)功能的同時(shí)兼具“ 輕、薄、柔”的外觀形態(tài)，從而在曲率、模量、形變、以及粘附力等各個(gè)方面展現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，助推從電影《阿凡達(dá)》人機(jī)隨動(dòng)到《阿麗塔》超腦智能交互技術(shù)的跨越。

舉例來(lái)說(shuō)，如果想要通過(guò)人機(jī)接口技術(shù)幫助癱瘓患者喝到咖啡，該過(guò)程中包括利用接口硬件實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信息的采集、神經(jīng)信號(hào)的解碼以及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)外部機(jī)械的控制?！皩?shí)現(xiàn)下一代人機(jī)交互的關(guān)鍵即在于精準(zhǔn)、穩(wěn)定和長(zhǎng)效信息的獲取，”邰艷龍對(duì)此解釋道，“人機(jī)接口的技術(shù)核心點(diǎn)在于高效性，想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須使接口材料與人體組織之間更加緊密地融合，以便快速交換神經(jīng)信息、運(yùn)動(dòng)信息和環(huán)境信息等等，而日益成熟的柔性電子技術(shù)正在將這一愿景帶到現(xiàn)實(shí)?！?/p>

▲圖丨超越人類智能的人機(jī)交互技術(shù)示意圖

柔性電子（Flexible Electronics）是一種將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術(shù)。邰艷龍自2007年起即在復(fù)旦大學(xué)開(kāi)始了針對(duì)于柔性電子領(lǐng)域的研究，其研究?jī)?nèi)容不僅在于新型材料，還包括人機(jī)系統(tǒng)的邏輯器件和智能系統(tǒng)的探索，以便為人機(jī)共融硬件技術(shù)的發(fā)展提供新思路。

顯而易見(jiàn)的是，早期用于人體接口的傳統(tǒng)剛性器件十分堅(jiān)硬，而人體組織十分柔軟。前者的模量遠(yuǎn)高于后者，這一巨量差異往往導(dǎo)致人體的軟組織等受到巨大創(chuàng)傷。而柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。

模量是指材料在受力狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之比。該比值越大，使材料發(fā)生變形的應(yīng)力也就越大，即厚度一致材料的剛度越大。

柔性電子領(lǐng)域涵蓋了有機(jī)電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等多個(gè)方向，其中又包括柔性顯示、化學(xué)與生物傳感器、柔性邏輯與存儲(chǔ)、柔性電池、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用以適應(yīng)不同需要。

當(dāng)前的柔性接口技術(shù)廣泛利用了凝膠材料、超薄透明納米材料、壓電聚合物柔性基底等，從而實(shí)現(xiàn)與人體組織的良好匹配性以及對(duì)于人體信息的高速獲取。

推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化研究進(jìn)程，助力多種應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展

本次演講中，邰艷龍不僅就柔性傳感技術(shù)的幾個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向做出介紹，其還針對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

據(jù)其介紹，以電子墨水為代表的柔性、印刷電子制造產(chǎn)業(yè)已在近年來(lái)展現(xiàn)出巨大前景，其未來(lái)的市場(chǎng)規(guī)?；?qū)⒏哌_(dá)4000億美元。與傳統(tǒng)印刷墨水不同的是，電子墨水能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體、環(huán)境感應(yīng)、電子標(biāo)簽、表面保護(hù)涂層等各種不同功能。

在該領(lǐng)域，印刷增材工藝對(duì)于墨水的性能和對(duì)基底的表面特性提出了極高的要求，這就激發(fā)了科研界對(duì)于成本更低、更加環(huán)保、簡(jiǎn)單并且適用于大規(guī)模制備的工藝展開(kāi)探索。經(jīng)過(guò)多年積累，邰艷龍陸續(xù)發(fā)表了納米銀、有機(jī)銀、石墨烯、碳納米管等不同材料電子墨水的簡(jiǎn)便、穩(wěn)定的制備方案。

▲圖丨固體銀納米顆粒制備示意圖（來(lái)源：ACS Applied Materials & Interfaces，被雜志Advances in Engineering遴選為Key Scientific Article）

基于上述電子墨水及印刷工藝制造的柔性貼片設(shè)備已在物流、醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮作用，在此之后，智能時(shí)代提出了新的技術(shù)需求，柔性運(yùn)動(dòng)傳感技術(shù)和柔性致動(dòng)傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以適應(yīng)智能傳感、智能機(jī)器人、智能汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)、等方面的發(fā)展需要。

在該類研究方向中，邰艷龍?zhí)岢龅腜VDF自剝離技術(shù)，可通過(guò)調(diào)節(jié)各層之間的粘結(jié)力、溫度、濕度，從而實(shí)現(xiàn)高效完整的剝離電子器件，該技術(shù)被應(yīng)用于無(wú)線濕度感知系統(tǒng)以及超薄的柔性存儲(chǔ)器件。

最后，其針對(duì)新功能、新形態(tài)的柔性交互器件作出了簡(jiǎn)單介紹，包括以植入式黏膜支架為載體的生物信息獲取及刺激，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)對(duì)話來(lái)診斷人體生理及病理診斷，提出一種新型發(fā)電材料實(shí)現(xiàn)人體汗液能量捕捉、存儲(chǔ)、及供能技術(shù)該類柔性能源器件可以集成到柔性、可穿戴和便攜平臺(tái)中，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

“柔性人機(jī)接口技術(shù)作為人機(jī)融合的底層硬件，長(zhǎng)期以來(lái)一直是我國(guó)相關(guān)行業(yè)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展痛點(diǎn)，因此，早日攻克其生產(chǎn)與制造的‘卡脖子技術(shù)’是相關(guān)研究人員的重要使命?！臂⑵G龍對(duì)此表示。

縱觀全球產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，據(jù)英國(guó)市場(chǎng)調(diào)研公司IDTechEx的報(bào)告預(yù)測(cè)，智能柔性傳感接口市場(chǎng)有望在2027年達(dá)到889億美元。然而截至2018年，全球傳感器市場(chǎng)的主要參與者來(lái)自于美國(guó)、德國(guó)、日本等少數(shù)先進(jìn)企業(yè)，且各國(guó)均設(shè)置了相關(guān)政策來(lái)限制關(guān)鍵技術(shù)的出口。與之相比，中國(guó)僅能夠以低端產(chǎn)品進(jìn)入全球傳感器接口市場(chǎng)，并占據(jù)其中10%的市場(chǎng)份額。

為此，我國(guó)科技部從2017年開(kāi)始積極開(kāi)展布局，包括人工智能發(fā)展領(lǐng)域、智能傳感器等重點(diǎn)專項(xiàng)，并在十三五規(guī)劃中將柔性電子確定為基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的優(yōu)先戰(zhàn)略性領(lǐng)域，同時(shí)在973計(jì)劃和863計(jì)劃中也建立了重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。

“總體而言，柔性傳感接口技術(shù)在電子消費(fèi)、醫(yī)療和軍事方面均起到關(guān)鍵、積極的推動(dòng)作用，”邰艷龍表示，“通過(guò)柔性人機(jī)接口有望實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的自然、精準(zhǔn)、安全的交互，能夠真正的實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合。其不可避免地成為未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。”