本文來自微信公衆號：X-MOLNews
全身沉浸式體驗的發展是人機界面日益發展的趨勢。人機界面管理信息系統是人與機器之間爲完成既定任務而進行信息傳遞和交換的媒介。觸摸定位傳感器是一種重要的人機界面，它可以用于我們的身體與虛擬或現實世界之間的各種交互。隨著人工智能的發展，基于人機界面的智能網絡安全設計已經成爲金融和計算行業的一個顯著應用，這就需要觸摸定位傳感器與深度學習協同工作。對于觸摸板來說，單點觸摸輸入可以實現簡單的點擊、滑動、拖動等控制，多點觸摸輸入可以實現圖像縮放、對象控制等熟練的操作識別。觸摸定位傳感器從結構簡單的單一功能發展到高分辨率陣列結構的多功能，目前的趨勢是通過巧妙的設計實現多種功能。目前，作爲虛擬現實、增強現實和元宇宙的電子可編程交互平台的觸摸定位傳感器受到功能有限、不穩定、信號幹擾和電極數量多的複雜結構的限制。
廈門大學電子科學與技術學院陳忠/廖新勤團隊聯合新加坡南洋理工大學Yuanjin Zheng教授提出並證明了一種一體化多功能觸摸定位傳感器(AIOM觸摸定位傳感器)，該傳感器僅具有兩個電極，可用于多種人機交互系統。AIOM觸摸定位傳感器采用了一種被稱爲梯度電阻元件的新型功能結構，這可以對多種觸摸位置進行廣泛的檢測和識別，爲人工智能輔助人機交互提供了多種可能性和實用性。圖形化的功能敏感材料可以轉化爲用戶自定義的有趣而生動的多點觸摸定位傳感器，器件具有零串擾、長期耐用、響應快、穩定性高和出色的時空動態分辨等特性。AIOM觸摸定位傳感器憑借其獨特的多點觸摸傳感結構和響應特性，可實現多種VA/AR應用，包括自由彈奏鋼琴和通過編程控制無人機，可有效地將一個或多個動態觸摸轉換爲設定的指令。基于AIOM觸摸定位傳感器和深度學習算法的增強用戶驗證系統，能夠識別、學習和記憶人機交互中固有的用戶行爲特征。這項工作不僅展示了推動傳感器領域突破性發展的新戰略，而且提供了一種科學和技術上可行的思維方式，以構建高效和多功能的觸摸定位傳感器，這些探索將有利于VR、AR和元宇宙時代的發展。相關研究以爲題發表在微納技術領域國際頂級期刊Nano-Micro Letters 上（JCR一區TOP，IF 23.655）。
本研究亮點在于：（1）證明了一種只需要兩個電極的多點觸摸定位傳感器，而不需要M × N × 2 或者 M + N個電極。通過巧妙的設計，器件能對物體進行多種功能控制。這種方法消除了信號串擾，防止了電極線之間的幹擾，大大降低了人機交互系統的配置要求。（2）梯度電阻元件結構的提出並用于多點觸摸定位傳感器的構建，可以對多種觸摸位置進行廣泛的檢測和識別，爲人工智能輔助人機交互提供了多種可能性和實用性。（3）基于深度學習算法的觸摸定位傳感器，作者們構建了一種人工智能增強的用戶驗證系統，能夠識別、學習和記憶用戶不同觸摸特征，爲基于觸摸特征識別的個性化人物識別系統提供基礎。
Figure 1. Architecture of the AIOM touch sensor for multipoint touch interactions.
Figure 2. Performance and characteristic of the AIOM touch sensor.
Figure 3. Linear AIOM touch sensor for freely playing piano music.
Figure 4. Circular AIOM touch sensor for programmatically controlling a drone.
Figure 5. Augmented user verification system based on the AIOM touch sensor.
總結與展望
在這項工作中，作者制備了一種只有兩個電極的梯度電阻元件的AIOM觸摸定位傳感器，並探討了其作爲指尖和虛擬物體之間的人機交互界面。AIOM觸摸定位傳感器的極簡化的結構取代了複雜的電極陣列，極大地降低了對多點觸摸轉換、融合、傳輸和識別的系統配置要求。AIOM觸摸定位傳感器設計的梯度電阻元件結構可以對多種觸摸位置進行廣泛的檢測和識別，爲人工智能輔助人機交互提供了多種可能性和實用性。AIOM觸摸定位傳感器的機械敏感信號具有高度區域分化，對不同時空動態的單點觸摸和多點觸摸做出響應。AIOM觸摸定位傳感器憑借其獨特的多點觸摸傳感結構和響應特性，實現了VR領域的應用，包括自由彈奏鋼琴和通過編程控制無人機，可以有效地將一個或多個動態觸摸轉換爲設定的指令。基于深度學習算法結合AIOM觸摸定位傳感器的增強用戶驗證系統能夠識別、學習和記憶用戶不同的觸摸位置、持續時間和按鍵特征間隔，進而對用戶進行識別與認證。
An All-In-One Multifunctional Touch Sensor with Carbon-Based Gradient Resistance Elements
Chao Wei, Wansheng Lin, Shaofeng Liang, Mengjiao Chen, Yuanjin Zheng, Xinqin Liao & Zhong Chen
Nano Micro Lett., 2022, 14, 131, DOI: 10.1007/s40820-022-00875-9