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电子皮肤罗盘:超薄、柔软、应用潜力大!

John Zhang IntelligentThings 2019-05-16

导读


近日,德国德累斯顿-罗森道夫研究中心的研究人员开发一种电子皮肤。这种电子皮肤是磁敏的,它灵敏到足以在地磁场中对身体运动进行检测和数字化。这种电子皮肤不仅超薄,而且具有韧性,可以简单地粘附于人体皮肤,制造出罗盘的仿生类似物。


背景


很久之前,古人就开始飞鸽传书了。一只信鸽,即使飞到千里之外的陌生地方,也能将信带回家。



鸽子为什么会具有这种神奇的力量?研究表明:鸽子的上喙具有一种能够感应磁场的晶胞,鸽子就是靠地磁来判别方向的。


如果将鸽子看成一个半导体,当它在地球磁场中振翅飞翔时,翅膀会做切割磁感线运动,在两翅之间产生感应电压。鸽子朝不同方向飞行时,切割磁感线的方向不同,因此产生的感应电压大小也不同,从而可以用于辨别方向。



创新


然而,科学家们的创新研究模仿了鸽子的导航方法。


近日,德国德累斯顿-罗森道夫研究中心(HZDR)的研究人员开发一种电子皮肤(e-skin)。这种电子皮肤是磁敏的,它灵敏到足以在地磁场中对身体运动进行检测和数字化。这种电子皮肤不仅超薄,而且具有韧性,可以简单地粘附于人体皮肤,制造出罗盘的仿生类似物。研究成果已经发表在《自然电子学(Nature Electronics)》期刊上。


技术


只要你将手向左侧移动,屏幕上虚拟的熊猫就会向左下方移动;将手向右侧移动,屏幕上虚拟的熊猫就会向相反的方向移动。这会让人联想起电影《少数派报告》中的场景,男主角汤姆克鲁斯仅凭手部姿势就可以控制计算机。16年前,这还是小说中的场景,如今却变成了现实。这一切要归功于 Denys Makarov 博士与他德累斯顿-罗森道夫研究中心的研究团队。研究人员们既不需要笨重的手套、 累赘的眼镜,也不需要复杂的摄像头系统,就能控制熊猫的路径。他们需要的仅是一条聚合物金属薄片外加地球的磁场。金属薄片的厚度不足千分之一毫米,可粘贴在手指上。


论文的领导作者 Gilbert Santiago Cañón Bermúdez 表示:“这种金属薄片装有磁场传感器,可检测地磁场。我们正在谈论的是40至60微特斯拉,它是一块冰箱磁铁的磁场强度的千分之一。”


这是科学家们首次展示高度柔顺的电子皮肤,能根据它与地磁场之间的交互控制虚拟物体。先前的演示仍然需要一个外部的永磁体:“我们的传感器能根据地球的磁场,让佩戴者能够持续确认方向。因此,如果他或者身体穿戴传感器的部分改变方向,传感器就会捕捉到这种运动,然后经过转化和数字化成为虚拟世界中的操作。”


这些传感器是由超薄的磁性材料坡莫合金组成,工作原理是一种称为“各向异性磁阻”的效应,如 Cañón Bermúdez 所解释的:“这意味着,这些层的电阻根据它们相对于外部磁场的方向而改变。为了根据特定的地球磁场对齐它们,我们用厚的导电材料片点缀这些铁磁条,在这个案例中是用的金,呈45度角排列。这样一来,电流只能在这种角度下流动,从而改变了传感器的响应,使之在非常小的场中变得最为灵敏。当传感器指向北的时候电压最强;当传感器指向南的时候电压最弱。”


电子皮肤罗盘的制造和机械性能(图片来源:参考资料【2】)


电子皮肤罗盘的磁电特征(图片来源:参考资料【2】)


研究人员进行了户外实验,在实际条件下论证了他们的想法。当传感器粘贴在食指上时,用户开始从朝北开始,首先朝西,然后朝南,最后返回,使得电压相应地上升和下落。显示的基本方位与作为参考的传统罗盘相匹配。Bermúdez 表示:“这表明,我们能够开发首个柔软且超薄的便携式传感器,它可以重现传统罗盘的功能,前瞻性地为人类实现人造的磁感应。”


户外地磁测量实验(图片来源:参考资料【2】)


但是,这并不是全部。研究人员们也能够将原理应用于虚拟现实,采用他们的磁传感器去控制计算机游戏引擎 Panda3D 中的数字熊猫。在这些实验中,指向北对应的是熊猫向左运动,指向南对应的是向右运动。当手位于左边的时候,换句话说磁北,虚拟世界中的熊猫开始向那个方向移动。当手移向相反的方向时,熊猫转身向相反方向运动。Denys Makarov 总结道:“我们能将真实世界地磁学刺激直接转化到虚拟世界中。”


虚拟现实环境中的地磁相互作用(图片来源:参考资料【2】)


价值


这项研究不仅能帮助到在辨明方向方面存在困难的人们,也将促进虚拟现实与增强现实系统中物体之间的交互。


因为传感器能够承受住极度的弯曲和扭曲,而且不会丧失功能,研究人员们看到了这种传感器实际应用的潜力不仅限于虚拟现实。Gilbert Santiago Cañón Bermúdez 强调:“例如,心理学家,可以更加精准地研究人体中的磁感应效应,无需笨重的设备或者繁琐的实验设置,这些会使结果产生偏差。”


关键字


虚拟现实电子皮肤传感器


参考资料


【1】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=57205

【2】G.S. Cañón Bermúdez, H. Fuchs, L. Bischoff, J. Fassbender, D. Makarov: Electronic-skin compasses for geomagnetic field driven artificial magnetoception and interactive electronics, in Nature Electronics, 2018 (DOI: 10.1038/s41928-018-0161-6)




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