基于下一代面向類腦及超腦智能的柔性傳感接口

現(xiàn)代社會中，人機(jī)交互技術(shù)（Human-Computer Interaction Techniques，HCI）已經(jīng)成為日?；顒又械闹匾M成部分。例如日常生活中的Siri、小愛同學(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翻天覆地的變化。

日前，中國科學(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)會電子材料專家等，其先后在美國、德國、沙特等從事柔性電子領(lǐng)域研究10余年，于Science Advances、Matter、Advanced Materials等國際期刊發(fā)表論文40余篇，并申請中國、美國和PCT國際專利15項(xiàng)。

談及相關(guān)智能設(shè)備的未來發(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、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、以及粘附力等各個方面展現(xiàn)出應(yīng)用優(yōu)勢，助推從電影《阿凡達(dá)》人機(jī)隨動到《阿麗塔》超腦智能交互技術(shù)的跨越。

舉例來說，如果想要通過人機(jī)接口技術(shù)幫助癱瘓患者喝到咖啡，該過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)定和長效信息的獲取，”邰艷龍對此解釋道，“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)開始了針對于柔性電子領(lǐng)域的研究，其研究內(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、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于人體信息的高速獲取。

推動產(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)的幾個重點(diǎn)發(fā)展方向做出介紹，其還針對于相關(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)已在近年來展現(xiàn)出巨大前景，其未來的市場規(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，印刷增材工藝對于墨水的性能和對基底的表面特性提出了極高的要求，這就激發(fā)了科研界對于成本更低、更加環(huán)保、簡單并且適用于大規(guī)模制備的工藝展開探索。經(jīng)過多年積累，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便、穩(wěn)定的制備方案。

▲圖丨固體銀納米顆粒制備示意圖（來源：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，智能時代提出了新的技術(shù)需求，柔性運(yùn)動傳感技術(shù)和柔性致動傳感技術(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、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)用于無線濕度感知系統(tǒng)以及超薄的柔性存儲器件。

最后，其針對新功能、新形態(tài)的柔性交互器件作出了簡單介紹，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)對話來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、及供能技術(shù)該類柔性能源器件可以集成到柔性、可穿戴和便攜平臺中，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(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，長期以來一直是我國相關(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龍對此表示。

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

為此，我國科技部從2017年開始積極開展布局，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)升級的優(yōu)先戰(zhàn)略性領(lǐng)域，同時在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、積極的推動作用，”邰艷龍表示，“通過柔性人機(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的重點(diǎn)發(fā)展方向。”