基于下一代面向类脑及超脑智能的柔性传感接口

现代社会中，人机交互技术（Human-Computer Interaction Techniques，HCI）已经成为日常活动中的重要组成部分。例如日常生活中的Siri、小爱同学，乃至具备专业性功能的触控机械臂、手术机器人等等，人与机器之间不同形式的应用交互正在为人们的工作和生活带来翻天覆地的变化。

日前，中国科学院深圳先进技术研究院神经工程研究中心研究员、中国科学院深圳先进技术研究院-阿联酋大学（SIAT-UAEU）智能感知与能量联合实验室负责人邰艳龙博士，就“柔性传感接口及人机交互应用”开展分享与讨论，介绍了他在人机交互领域和柔性电子设备领域中的研究历程和经验。

邰艳龙同时担任中科院深理工（筹）双聘教授、深圳市微波产业协会电子材料专家等，其先后在美国、德国、沙特等从事柔性电子领域研究10余年，于Science Advances、Matter、Advanced Materials等国际期刊发表论文40余篇，并申请中国、美国和PCT国际专利15项。

谈及相关智能设备的未来发展，邰艳龙表示，人机交互技术正在朝着“自然、精准、安全”的方向不断发展，想要实现这一目的，使用更加轻薄、高效的柔性传感接口硬件将有助于实现实时、快速的信息获取以及解码、应用，从而成为下一代人机交互技术的强大助力。

下一代人机交互的基础：面向类脑及超脑智能的柔性传感接口

随着人机交互技术的不断前行，特别是混合现实、元宇宙等新技术场景需求的不断涌现，传统用于信息获取感知单元的刚性接口硬件已经难以满足需求。与之相比，柔性传感接口在实现高效信息传导功能的同时兼具“ 轻、薄、柔”的外观形态，从而在曲率、模量、形变、以及粘附力等各个方面展现出应用优势，助推从电影《阿凡达》人机随动到《阿丽塔》超脑智能交互技术的跨越。

举例来说，如果想要通过人机接口技术帮助瘫痪患者喝到咖啡，该过程中包括利用接口硬件实现神经信息的采集、神经信号的解码以及进一步实现外部机械的控制。“实现下一代人机交互的关键即在于精准、稳定和长效信息的获取，”邰艳龙对此解释道，“人机接口的技术核心点在于高效性，想要实现这一目标，必须使接口材料与人体组织之间更加紧密地融合，以便快速交换神经信息、运动信息和环境信息等等，而日益成熟的柔性电子技术正在将这一愿景带到现实。”

▲图丨超越人类智能的人机交互技术示意图

柔性电子（Flexible Electronics）是一种将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。邰艳龙自2007年起即在复旦大学开始了针对于柔性电子领域的研究，其研究内容不仅在于新型材料，还包括人机系统的逻辑器件和智能系统的探索，以便为人机共融硬件技术的发展提供新思路。

显而易见的是，早期用于人体接口的传统刚性器件十分坚硬，而人体组织十分柔软。前者的模量远高于后者，这一巨量差异往往导致人体的软组织等受到巨大创伤。而柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。

模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。该比值越大，使材料发生变形的应力也就越大，即厚度一致材料的刚度越大。

柔性电子领域涵盖了有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等多个方向，其中又包括柔性显示、化学与生物传感器、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用以适应不同需要。

当前的柔性接口技术广泛利用了凝胶材料、超薄透明纳米材料、压电聚合物柔性基底等，从而实现与人体组织的良好匹配性以及对于人体信息的高速获取。

推动产业化研究进程，助力多种应用领域发展

本次演讲中，邰艳龙不仅就柔性传感技术的几个重点发展方向做出介绍，其还针对于相关产业及应用进行了总结。

据其介绍，以电子墨水为代表的柔性、印刷电子制造产业已在近年来展现出巨大前景，其未来的市场规模或将高达4000亿美元。与传统印刷墨水不同的是，电子墨水能够实现半导体、环境感应、电子标签、表面保护涂层等各种不同功能。

在该领域，印刷增材工艺对于墨水的性能和对基底的表面特性提出了极高的要求，这就激发了科研界对于成本更低、更加环保、简单并且适用于大规模制备的工艺展开探索。经过多年积累，邰艳龙陆续发表了纳米银、有机银、石墨烯、碳纳米管等不同材料电子墨水的简便、稳定的制备方案。

▲图丨固体银纳米颗粒制备示意图（来源：ACS Applied Materials & Interfaces，被杂志Advances in Engineering遴选为Key Scientific Article）

基于上述电子墨水及印刷工艺制造的柔性贴片设备已在物流、医疗领域中发挥作用，在此之后，智能时代提出了新的技术需求，柔性运动传感技术和柔性致动传感技术应运而生，以适应智能传感、智能机器人、智能汽车、物联网、等方面的发展需要。

在该类研究方向中，邰艳龙提出的PVDF自剥离技术，可通过调节各层之间的粘结力、温度、湿度，从而实现高效完整的剥离电子器件，该技术被应用于无线湿度感知系统以及超薄的柔性存储器件。

最后，其针对新功能、新形态的柔性交互器件作出了简单介绍，包括以植入式黏膜支架为载体的生物信息获取及刺激，实现脑机对话来诊断人体生理及病理诊断，提出一种新型发电材料实现人体汗液能量捕捉、存储、及供能技术该类柔性能源器件可以集成到柔性、可穿戴和便携平台中，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景。

“柔性人机接口技术作为人机融合的底层硬件，长期以来一直是我国相关行业与产业的发展痛点，因此，早日攻克其生产与制造的‘卡脖子技术’是相关研究人员的重要使命。”邰艳龙对此表示。

纵观全球产业市场，据英国市场调研公司IDTechEx的报告预测，智能柔性传感接口市场有望在2027年达到889亿美元。然而截至2018年，全球传感器市场的主要参与者来自于美国、德国、日本等少数先进企业，且各国均设置了相关政策来限制关键技术的出口。与之相比，中国仅能够以低端产品进入全球传感器接口市场，并占据其中10%的市场份额。

为此，我国科技部从2017年开始积极开展布局，包括人工智能发展领域、智能传感器等重点专项，并在十三五规划中将柔性电子确定为基础材料和产业升级的优先战略性领域，同时在973计划和863计划中也建立了重点研发项目。

“总体而言，柔性传感接口技术在电子消费、医疗和军事方面均起到关键、积极的推动作用，”邰艳龙表示，“通过柔性人机接口有望实现人与机器的自然、精准、安全的交互，能够真正的实现人机融合。其不可避免地成为未来的重点发展方向。”

审核编辑：彭静