凯斯西储大学（CWRU）软机器与电子实验室的研究开发了一种新型人机界面（HMI）设备，用户可以使用人类的基本生理功能来管理智能设备：呼吸。这样的设备可以使目前无法使用语音或触摸命令的一部分人能够访问家庭自动化，这是当今大多数设备的典型特征。

 

Demonstration of a user controlling appliances using the HMI system

用户使用HMI系统控制电器的演示。图片由Cao等人提供

 

曹昌勇助理教授带领研究小组开发了基于摩擦电纳米发电机（TENG）技术的自供电呼吸HMI设备。虽然其他研究小组以前也对基于TENG的呼吸HMI设备进行过研究，但Cao和他的团队表示，他们的设备的精心配置使其舒适、有效，更接近市场。

 

TENG是如何工作的？

最简单地说，Teng通过将机械输入转换为电输出来工作。这使得它成为传感或发电的一个有吸引力的候选者。

Teng背后的两个主要原理是摩擦电效应和静电感应。摩擦电效应是一种接触带电，在接触一段时间后，电荷从一个表面转移到另一个表面。静电感应是基于附近影响的电荷重新分布，例如，所有负电荷都聚集在靠近其他具有高正电荷的物体的点上。当你把气球摩擦在地毯上，然后让它“粘”在墙上时，你可能会经历这两种现象。

 

Illustration of the working principle behind TENGs

TENG背后的工作原理说明。图片由ACS Nano提供

 

Teng利用了这些原理，将两种材料分层，使它们之间接触，然后在两者之间产生距离，从而引起电荷的移动。这种电子流可以被存储或用作输出信号。

凯斯西储大学以外的研究人员在生物医学工程和可穿戴设备领域发现了TENG的前景。Teng的其他应用包括从人们走路中产生能量的智能地板、嵌入Teng的智能纺织品和电子皮肤传感器。

 

基于TENG的设备面临的挑战

虽然总体原理看起来简单明了，但基于TENG的应用程序面临着一些挑战，包括：

  • 为层调整具有不同静电特性的各种类型的材料
  • 寻找层之间的最佳分离距离
  • 确定最佳表面接触尺寸
  • 选择表面接触类型（例如滑动、垂直）
  • 确定对输入的期望灵敏度
  • 控制输出强度

 

一种新型呼吸控制智能家居设备

对于凯斯西储大学的原型，研究人员开发了一种可定制的聚氨酯结构，将Teng固定在鼻子上。该装置由一个软夹组成，该软夹在隔膜上滑动，隔膜壁上有足够的压力，通过夹上部的两个小磁铁保持原位。在鼻子外面夹子的底端，鼻孔下面有两个TENG传感器。

TENG传感器由几个材料层组成：

  1. 基底：最底部有0.5毫米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯层，包括沿圆周的8 x 1.4毫米孔，用于气流
  2. 电极：PET基板上层75µm厚的铜膜
  3. 带电材料：铜上的层压天然乳胶层
  4. 顶部带电层：具有印刷砂纸微观结构的高强度EcoFlex层，通过3D印刷聚乳酸垫片与底部带电层分离

 

TENG sensors

曹的研究团队调查了几种不同的柔性层材料。他们还寻求在使用者鼻孔内佩戴的舒适结构。图片由Cao等人提供

 

虽然该团队研究了底部带电层的不同材料，包括铜和尼龙，但他们最终得出结论，天然乳胶可以产生最强的电压输出，因为它在候选材料中最容易失去电子。总的来说，该装置的重量约为1.48克。

 

舒适的鼻夹可佩戴设计

在设计原型时，研究人员试图确定鼻孔到Teng的最佳距离、带电层之间的间距和Teng的直径。该团队需要同时从呼吸中产生足够的电荷来产生输出信号，同时减轻正常呼吸产生的过多输出噪音。这些参数中的一些可能是为用户定制的。

CWRU设备与其他基于TENG的呼吸HMI的不同之处之一在于其设计：原型佩戴在非侵入性、舒适且可定制的可穿戴设备中。来自不同团队的其他原型需要佩戴更多的面部装备来佩戴传感器，例如口罩。

 

用呼吸模式控制家用电器

为了测试作为HMI设备的传感器，该团队进行了几次打开和关闭家用电器的测试，包括一盏灯、一个风扇和一个计算机监视器。TENG输出被馈送到处理电路，该处理电路利用微控制器计算呼吸模式，然后微控制器将通过继电器开关启动动作。

 

Diagram of the TENG-based HMI system

基于TENG的HMI系统示意图。图片由Cao等人提供
 

除了将该设备用作HMI之外，该传感器还可以用于呼吸监测。研究人员声称，该传感器的设计对呼吸和运动产生的湿气具有很强的抵抗力，有助于监测睡眠呼吸暂停。在这种使用情况下，当用户暂时停止呼吸时，传感器可以触发警报。

Cao估计，该团队的传感器可能在三到五年内向公众开放。