Углеродные сенсоры открывают путь к бесшовному взаимодействию человека и машины

Взаимодействие между машинами и людьми крайне важно для развития технологий метавселенной, призванных расширить человеческий опыт с помощью облачных вычислений и расширенной реальности (XR). Графен, двумерный углеродный материал, стал идеальным кандидатом для технологии носимых сенсоров, прокладывая путь к новой эре бесшовного человеко-машинного взаимодействия (HMI).

Команда материаловедов под руководством Тянь-Лин Жэня из Университета Цинхуа в Пекине (Китай) недавно обобщила состояние технологии HMI-сенсоров на основе графена, чтобы стимулировать исследования в этой области. Передовые сенсорные технологии, которые являются гибкими, легкими и могут носиться непрерывно, идеальны для HMI и имеют потенциальное применение как в иммерсивном виртуальном мире метавселенной, так и в технологиях носимого здравоохранения.

Текущие исследования направлены на создание сенсоров, способных взаимодействовать практически с любой измеряемой частью тела, включая мозг, глаза и рот. Эти измерения затем могут использоваться интерфейсной машиной для характеристики информации о теле.

Команда опубликовала свой обзор в Carbon Future.

«В этом обзоре мы представляем некоторые усилия нашей исследовательской группы по созданию графеновых сенсоров для человеко-машинных интерфейсов. Эти сенсоры, предназначенные для использования на различных частях человеческого тела, представлены с акцентом на целевые сигналы, дизайн, производственный процесс и характеристики производительности. Кроме того, мы углубляемся в потенциальные будущие разработки графеновых сенсоров, включая многомодальность, повышенный комфорт и интеллект», — сказал Тянь-Лин Жэнь, старший автор обзорной статьи, профессор Школы интегральных схем и заместитель декана Школы информационных наук и технологий Университета Цинхуа.

Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в виде гексагональной решетки. Уникальные свойства графена, включая впечатляющую проводимость, низкую химическую реактивность, гибкость и малый вес, делают материал идеальным кандидатом для разработки сенсоров человеко-машинного интерфейса.

Исследовательская группа описывает прогресс в создании графеновых сенсоров, предназначенных для измерения различных сигналов от тела. «Многие части человеческого тела, с головы до ног, имеют потенциал для разработки в человеко-машинные интерфейсы. Мозг, глаза, уши, нос, рот, горло, кончики пальцев, кожа, суставы и ступни — все могут быть использованы в качестве интерфейсов HMI на основе электроэнцефалограммы (EEG), электромиографии (EMG), электроокулограммы (EOG), движения глаз, света, дыхания, голоса, прикосновения, температуры, движения, походки и другой физиологической информации», — сказал Тянь-Лин Жэнь.

Люди также могут получать пользу от выходных сигналов, генерируемых машинами. Разработка многомодальных сенсоров, которые могут переключаться между измерением сигнала (например, восприятием звука) и выводом сигнала (например, генерацией звука), будет особенно полезна для HMI. Команда Жэня продемонстрировала генерацию звука с помощью графена в предыдущем исследовании.

Тянь-Лин Жэнь сказал: «С помощью машинного обучения этот интерфейс может достичь распознавания речи, анализа эмоций, обработки контента и многого другого, что делает его идеальным для интеллектуального роботизированного общения».

Одной из проблем разработки графеновых сенсоров является достижение достаточно широкого диапазона измерений для обнаружения очень динамичных ощущений, таких как осязание. Для решения этой проблемы были разработаны графеновые датчики давления с широким диапазоном чувствительности, использующие свободно уложенные пленки лазерно-гравированного графена (LSG), плотность которых увеличивается с ростом давления. Возрастающая плотность пленки, в свою очередь, вызывает изменение измеряемого сопротивления в диапазоне, достаточно широком для достижения высокой чувствительности.

Исследовательская группа ожидает, что обзор стимулирует разработку новых графеновых сенсоров, предназначенных для обеспечения более естественного HMI и улучшения сбора и реакции на данные в реальном времени в здравоохранении. «Ожидается, что графеновые сенсоры для HMI станут более разнообразными и практичными в ближайшие годы. В одной и той же части тела человек и машина могут взаимодействовать с разными сигналами… многими различными способами», — сказал Тянь-Лин Жэнь.