人機(jī)界面信息管理系統(tǒng)是人與機(jī)器之間為完成既定任務(wù)而進(jìn)行信息傳遞與交換的媒介。觸摸定位傳感器是一種重要的人機(jī)界面，它可以用于人體與虛擬或現(xiàn)實(shí)世界之間的多種交互。隨著人工智能的發(fā)展，基于人機(jī)界面的智能交互系統(tǒng)已經(jīng)成為電子與計(jì)算機(jī)行業(yè)的一個(gè)重要應(yīng)用，這需要觸摸定位傳感器與深度學(xué)習(xí)協(xié)同工作。對(duì)于觸摸定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單點(diǎn)觸摸輸入可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊、滑動(dòng)、拖動(dòng)等控制，多點(diǎn)觸摸輸入可以實(shí)現(xiàn)圖像縮放、對(duì)象控制等高級(jí)識(shí)別操作。觸摸定位傳感器目前的趨勢(shì)是從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單一功能到高分辨率陣列式結(jié)構(gòu)的多功能發(fā)展，其中需要有巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)多種功能交互。目前，觸摸定位傳感器作為虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和元宇宙（Metaverse）的可編程電子交互平臺(tái)，受到功能不穩(wěn)定、信號(hào)間干擾以及電極數(shù)量多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制。

近日，廈門大學(xué)陳忠/廖新勤團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)Yuanjin Zheng教授提出并證明了一種僅需兩個(gè)電極就可以用于多點(diǎn)識(shí)別人機(jī)交互系統(tǒng)的一體化觸摸定位傳感器。該觸摸定位傳感器采用了一種被稱為梯度電阻元件的新型功能結(jié)構(gòu)，可以對(duì)多種機(jī)械觸摸進(jìn)行廣泛地檢測(cè)與位置識(shí)別，為人工智能輔助的人機(jī)交互提供多種可能性和實(shí)用性。圖形化的功能敏感材料可以轉(zhuǎn)化為用戶自定義的有趣而生動(dòng)的多點(diǎn)觸摸定位傳感器，器件具有零串?dāng)_、長(zhǎng)期耐用、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高和出色的時(shí)空動(dòng)態(tài)分辨等特性 （圖1）。該觸摸定位傳感器憑借其獨(dú)特的多點(diǎn)觸摸感知結(jié)構(gòu)和響應(yīng)特性，有效地將一個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為設(shè)定命令，可實(shí)現(xiàn)多種VA/AR應(yīng)用，包括自由彈奏鋼琴和可編程無(wú)人機(jī)控制等?；谟|摸定位傳感器和深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合的增強(qiáng)用戶驗(yàn)證系統(tǒng)，能夠識(shí)別、學(xué)習(xí)與記憶人機(jī)交互過(guò)程中用戶的固有行為特征，為基于觸摸特征識(shí)別的個(gè)性化人物識(shí)別提供基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作不僅展示了推動(dòng)觸摸定位傳感器領(lǐng)域突破性發(fā)展的新策略，而且提供了一種科學(xué)和技術(shù)上可行的構(gòu)建高效、多功能觸摸定位傳感器的思維方式，這些探索將為VR、AR以及Metaverse的交互應(yīng)用發(fā)展提供基礎(chǔ)。相關(guān)工作以“An all-in-one multifunctional touch sensor with carbon-based gradient resistance elements”為題發(fā)表在微納技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Nano-Micro Letters》上（JCR一區(qū)TOP，IF 23.655）。

圖1 用于多點(diǎn)交互的一體化觸摸定位傳感器結(jié)構(gòu)與原理

【直線形觸摸定位傳感器的鋼琴交互應(yīng)用】

作者們展示了一種線性交互界面，用于自由彈奏鋼琴音樂(lè)。當(dāng)沒(méi)有觸摸時(shí)，所有的活動(dòng)觸摸按鈕都處于斷開(kāi)狀態(tài)，直線形觸摸定位傳感器處于待機(jī)模式。當(dāng)手指觸摸一個(gè)或兩個(gè)活動(dòng)觸摸按鈕時(shí)，直線形觸摸定位傳感器的響應(yīng)阻值會(huì)根據(jù)需求快速生成，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓也會(huì)相應(yīng)改變。隨后，利用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。最后將相應(yīng)的指令傳輸?shù)接?jì)算機(jī)發(fā)出聲音。由于不同的觸摸組合可以自由切換，輸出的電壓會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。直線形觸摸定位傳感器可以實(shí)現(xiàn)多樣性的觸摸組合，進(jìn)而可以演奏出更多種類的音樂(lè)。

圖2直線形觸摸定位傳感器用于鋼琴的和旋演奏

【圓盤形觸摸定位傳感器用于可編程的無(wú)人機(jī)交互控制】

一般來(lái)說(shuō)，要控制無(wú)人機(jī)的9個(gè)飛行動(dòng)作，常見(jiàn)的設(shè)備要求將9個(gè)分布式傳感元件與大量電極集成在一起。但這種方式有可能產(chǎn)生設(shè)計(jì)空間不足、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、信號(hào)處理復(fù)雜等問(wèn)題。由于制造工藝的可擴(kuò)展性和設(shè)計(jì)原理的通用性，作者們?cè)O(shè)計(jì)了圓盤形觸摸定位傳感器，以用于可編程的無(wú)人機(jī)控制。圓盤形觸摸定位傳感器由兩個(gè)電極、五個(gè)梯度電阻元件組成。作為一種概念證明，圓盤形觸摸定位傳感器可以附著在手背上以控制無(wú)人機(jī)。當(dāng)對(duì)圓盤形觸摸定位傳感器的觸摸區(qū)域進(jìn)行一點(diǎn)或兩點(diǎn)接觸時(shí)，器件會(huì)快速產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)設(shè)計(jì)，只包含5個(gè)活動(dòng)觸摸按鈕的圓盤形觸摸定位傳感器就可以操作無(wú)人機(jī)的9個(gè)飛行動(dòng)作。需要注意的是，這個(gè)器件還可根據(jù)需要，開(kāi)發(fā)出更多的觸摸組合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)多樣化的可編程動(dòng)作控制。該圓盤形觸摸定位傳感器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和功能通用性有效避免了傳統(tǒng)器件復(fù)雜的互聯(lián)線路結(jié)構(gòu)，消除了信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。

圖3圓盤形觸摸定位傳感器用于可編程的無(wú)人機(jī)控制

【基于深度學(xué)習(xí)的S形觸覺(jué)定位傳感器在個(gè)人特性識(shí)別中的應(yīng)用】

在增強(qiáng)用戶驗(yàn)證系統(tǒng)中，生物識(shí)別技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全和計(jì)算機(jī)用戶隱私中。敲擊動(dòng)力學(xué)是一種重要的生物識(shí)別技術(shù)。其主要通過(guò)不同的觸摸特征來(lái)捕捉用戶的個(gè)人行為數(shù)據(jù)，包括觸摸位置、持續(xù)時(shí)間和觸摸間隔。作者們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了兩個(gè)電極、9個(gè)梯度電阻元件的S形觸摸定位傳感器，作于用戶識(shí)別與驗(yàn)證的智能鍵盤?；赟形觸摸定位傳感器，作者們提出了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的生物識(shí)別技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)用戶輸入了相同的字符串。由于個(gè)人習(xí)慣的不同，因此每個(gè)用戶的按鍵動(dòng)態(tài)信息是不同的。通過(guò)將人工智能與觸摸定位傳感器相結(jié)合，用戶訪問(wèn)控制系統(tǒng)能夠有效地學(xué)習(xí)、適應(yīng)和識(shí)別用戶按鍵行為特征信息，并對(duì)用戶進(jìn)行識(shí)別與認(rèn)證。

圖4人工智能輔助的基于S形觸摸傳感器的增強(qiáng)用戶驗(yàn)證系統(tǒng)

總結(jié)：作者們?cè)O(shè)計(jì)了一種只有兩個(gè)電極的基于梯度電阻元件的觸覺(jué)定位傳感器，并探討了其在VR系統(tǒng)中的人機(jī)交互。該觸摸定位傳感器采用極簡(jiǎn)化電極取代了復(fù)雜的電極陣列，避免了感知觸摸位置時(shí)的信號(hào)間干擾，極大地降低了多點(diǎn)觸摸轉(zhuǎn)換、融合、傳輸與識(shí)別的系統(tǒng)配置要求。觸覺(jué)定位傳感器的機(jī)械敏感信號(hào)具有高度區(qū)域分化，對(duì)不同時(shí)空動(dòng)態(tài)的單點(diǎn)觸摸位置和多點(diǎn)觸摸位置都能進(jìn)行有效識(shí)別并作出響應(yīng)。觸摸定位傳感器憑借其獨(dú)特的多點(diǎn)觸摸感知結(jié)構(gòu)和響應(yīng)特性，可以有效地將一個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)觸摸轉(zhuǎn)換為設(shè)定的指令，實(shí)現(xiàn)了多種VR應(yīng)用。