是真的吗，元宇宙都会“弹钢琴”了？
视频 | 会“弹钢琴”的一体化触摸定位传感器（来源：Nano-Micro Letters）
这是厦门大学电子科学与技术学院教授陈忠/廖新勤团队的最新成果，他们提出并证明了一种只需两个电极、即可用于多点识别人机交互系统的一体化触摸定位传感器，根本不需要 M×N×2 或者 M+N 个电极。
如下方视频，该传感器还可用于无人机操控。
视频 | 执行指挥功能的一体化触摸定位传感器（来源：Nano-Micro Letters）
当今，智能感知技术已广泛用于人机融合、虚拟现实/增强现实、物联网等领域，对发展战略性新兴智能产业有着重要作用。
触摸定位传感器，是一种人机交互界面。它可用于人体与虚拟世界、或现实世界之间的各种交互。对于触摸板来说，单点触摸输入可以实现点击、滑动、拖动等控制，而多点触摸输入则可实现图像缩放、旋转、对象组合控制等精细识别操作。
近年来，触摸定位传感器已从结构简单的单一功能，发展到高分辨率阵列结构的多功能。作为一类重要的感知器件，触摸定位传感器常因采用多元件式结构与经纬线阵列电极，而受到信号串扰、电极/接口数量多、扫频易发烫、系统要求高等问题。
但是，这些器件普遍由阵列化的电极线、阵列化的敏感单元、以及信号转换单元组成，只有这样才能识别出触摸点的位置。通常，一个 M×N 个敏感单元的触摸定位传感器，需要包含 M×N×2 条电极线、或是 M×N+1 条电极线。
而通过采用交叉扫描方式寻址，可将器件的电极线数量显著减少到 M+N 条，这大大缩短了测量周期，简化了后端信号处理分析的流程，也让系统信号处理与分析配置的要求得以降低，进而有利于实时触摸映射反馈。此外，电极线数量的减少，也会极大降低布线难度、降低器件的构建难度和成本。
（来源：Nano-Micro Letters）
只需两个电极，即可用于多点识别人机交互系统
相关论文以《具有碳基梯度电阻元件的一体式多功能触摸传感器》（An All-In-One Multifunctional Touch Sensor with Carbon-Based Gradient Resistance Elements）为题，发表在Nano-Micro Letters上（IF 23），博士生韦超担任第一作者，廖新勤和厦门大学电子科学系教授陈忠担任共同通讯作者[1]。
▲图 | 厦门大学电子科学与技术学院教授廖新勤（来源：廖新勤）
这款一体化触摸定位传感器采用梯度电阻元件结构，电阻元件可被串联在一起，每个梯度电阻单元的电阻（Ri）的设计公式为: Ri = 2i-1 × R1。其中，R1 和 i 分别为第一个梯度电阻单元的阻值和梯度阻值单元的序号。
▲图 | 韦超（来源：资料图）
当手指触碰某个元件时，对应的元件电阻就会从器件的总电阻中扣除。这样一来，手指的触碰位置就能根据器件的总电阻变化进行判断。
举例来说，假如所采用的梯度电阻元件的电阻分别是 1、2、4、8、16、32 和 64 kΩ。当有手指触碰到第一个元件时，器件的总电阻就会扣除 1kΩ；当有手指触碰第一二个元件时，器件的总电阻就会扣除 1+2=3 kΩ。
可以发现，1 kΩ 或者 3 kΩ 电信号的变化，都和手指的触碰位置一一对应。因此，不管手指触碰一个还是几个不同元件，器件的总电阻变化都是唯一的。比如，当器件总电阻被扣除 19kΩ。那么，系统就能判定手指是在第一二五三个位置触碰器件的。
通过这种巧妙的设计，所构建的器件可同时对多个触摸位置进行检测和识别，这为人工智能辅助的人机交互，提供了多种可能性，借此消除电极线之间的信号串扰，大大降低了人机交互系统信号分析处理的配置要求。
进一步地，将深度学习算法与触摸定位传感器结合，该团队还构建出一种人工智能增强的用户验证系统，可识别、学习、以及记忆用户的不同触摸特征，为以触摸特征识别为基础的、个性化人物识别系统提供了样本。
几个审稿人都对该成果做以正面评价，比如“本文介绍了一个关于多功能触摸定位传感器制造和人机交互应用的有趣主题。触摸传感器由梯度电阻元件构成，可适用于各式各样应用的配置。研究工作构建了不同形状的触摸传感器，并展示了各种潜在应用。”
另一位审稿人称：“作者报告了一种只有两个电极的多功能触摸定位传感器，该器件能熟练地识别交互式操作。让基于触摸定位传感器的 VR 人机交互应用得到了很好的证明。总体而言，该主题引人入胜，多功能触摸定位传感器的设计方案巧妙可行。”
还有审稿人表示，“作者报告了一种用于人机交互应用的、具有简单工作机制的一体化多点触摸定位传感器。该传感器仅包含两个电极，并且工作在单电路配置中。因此，这排除了阵列传感器配置中的大量交叉电极、传播延迟和复杂组装。”
（来源：Nano-Micro Letters）
该团队表示，最早开始研究这类器件时，他们发现触摸定位传感器常因采用多元件式结构与经纬线阵列电极，受到信号间串扰、电极/接口数量多、扫频易发烫、系统要求高等困扰。因此，课题组在想是否有办法，对器件结构进行优化下、或设计其他结构进行代替。
不过，他们打算先实现触摸定位识别，于是提出了使用电双层结构、来构建只有两个电极的单点触摸定位传感器，比如模拟神经仿生的触摸定位传感器、以及对拉伸不敏感的仿生电子外感受性触摸定位传感器，相关论文分别发在Nature Communications上 [2] 和Nano Energy[3] 上。
（来源：Nano-Micro Letters）
如前所述，该结构只需两个电极即可构建触摸定位传感器，器件也能对触摸位置进行准确识别，如此就能解决采用多元件式结构、与经纬线阵列电极的器件所遇到的困扰。但是，他们很快就发现，对于多点的触摸定位识别来说，这些器件无法进行触摸点数的识别。
因此，就有了此次工作的诞生。通过设计梯度电阻元件结构，就能让器件在只有两个电极的情况下，识别出单点和多点触摸。
未来将让器件实现对变形的不敏感
研究中，他们提出了梯度电阻元件结构，以用于构建两电极的一体化多功能触摸定位传感器的概念。为了证明概念的实现、以及制备不同电阻元件的途径，该团队用铅笔进行构思和涂画演示。
后来他们注意到，其实作为概念性的验证，用碳素铅笔足矣。通过碳素铅笔“涂画”这一简单方式，即可实现不同的电阻元件制备。因为，“涂画”的时候沉积在纸上的石墨是导电的，在纸上的石墨覆盖度的薄膜电阻可被自由控制。
▲图 | 厦门大学电子科学系教授陈忠（来源：资料图）
随后，学院院长陈忠教授在仪器设备使用、经费和人力上，给予大力支持和帮助。“我们也不辜负希望，加班加点地实现想法，因为这是个很有意思的点子。后来投稿时，也获得了所有审稿人的一致认可。当然，这只是一个阶段性成果，对于后续研究、特别是走向市场化应用，还有挺长的路需要走。”该课题组表示。
（来源：Nano-Micro Letters）
目前，触摸板可识别单点触摸输入，进而能用于点击、滑动、拖动等控制、以及多点触摸的输入，还可用于实现对象组合控制等精细识别操作。毕竟该器件只需要两个电极，对系统配置要求不高。如有更多人参与到这类器件的研究，发挥各自的聪明才智，相信会有更多具有想象力的应用被开发出来。
未来，课题组希望实现器件对变形的不敏感，也就是即使传感器因为穿戴发生形变，也能稳定工作。其次，他们希望传感器与信号分析处理系统、甚者无线发射器等，也能实现一体化，这样就更能接近市场化，让科研成果促进社会发展。
（来源：Nano-Micro Letters）
而对于发展这类新型传感器来说，一个重要的科学问题在于摸清功能材料物性和元件结构、对器件性能的调控规律。后续，该团队也将进行深入研究。
据介绍，全球学界都非常重视柔性电子器件的研究，国外的起步和规划比较早。目前，在国家战略发展和福建省科技创新发展需求上，发展新型柔性可穿戴器件都处于重要地位。
因此，该团队希望能有更多人一起促进柔性电子器件的发展，最终让科研成果在健康监测、人体增强、虚拟现实、增强现实、元宇宙等领域发挥特色。
参考资料：
3.Liao, X., Wang, W., Zhong, L., Lai, X., & Zheng, Y. (2019). Synergistic sensing of stratified structures enhancing touch recognition for multifunctional interactive electronics.Nano Energy, 62, 410-418. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.05.054