人機界面信息管理系統(tǒng)是人與機器之間為完成既定任務而進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界面，它可以用于人體與虛擬或現(xiàn)實世界之間的多種交互。隨著人工智能的發(fā)展，基于人機界面的智能交互系統(tǒng)已經(jīng)成為電子與計算機行業(yè)的一個重要應用，這需要觸摸定位傳感器與深度學習協(xié)同工作。對于觸摸定位系統(tǒng)來說，單點觸摸輸入可以實現(xiàn)簡單的點擊、滑動、拖動等控制，多點觸摸輸入可以實現(xiàn)圖像縮放、對象控制等高級識別操作。觸摸定位傳感器目前的趨勢是從結構簡單的單一功能到高分辨率陣列式結構的多功能發(fā)展，其中需要有巧妙的結構設計才能實現(xiàn)多種功能交互。目前，觸摸定位傳感器作為虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和元宇宙（Metaverse）的可編程電子交互平臺，受到功能不穩(wěn)定、信號間干擾以及電極數(shù)量多的復雜結構的限制。

近日，廈門大學陳忠/廖新勤團隊聯(lián)合新加坡南洋理工大學Yuanjin Zheng教授提出并證明了一種僅需兩個電極就可以用于多點識別人機交互系統(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構，可以對多種機械觸摸進行廣泛地檢測與位置識別，為人工智能輔助的人機交互提供多種可能性和實用性。圖形化的功能敏感材料可以轉化為用戶自定義的有趣而生動的多點觸摸定位傳感器，器件具有零串擾、長期耐用、響應快、穩(wěn)定性高和出色的時空動態(tài)分辨等特性 （圖1）。該觸摸定位傳感器憑借其獨特的多點觸摸感知結構和響應特性，有效地將一個或多個動態(tài)機械刺激轉換為設定命令，可實現(xiàn)多種VA/AR應用，包括自由彈奏鋼琴和可編程無人機控制等?；谟|摸定位傳感器和深度學習算法結合的增強用戶驗證系統(tǒng)，能夠識別、學習與記憶人機交互過程中用戶的固有行為特征，為基于觸摸特征識別的個性化人物識別提供基礎。這項工作不僅展示了推動觸摸定位傳感器領域突破性發(fā)展的新策略，而且提供了一種科學和技術上可行的構建高效、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的交互應用發(fā)展提供基礎。相關工作以“An all-in-one multifunctional touch sensor with carbon-based gradient resistance elements”為題發(fā)表在微納技術領域國際頂級期刊《Nano-Micro Letters》上（JCR一區(qū)TOP，IF 23.655）。

圖1 用于多點交互的一體化觸摸定位傳感器結構與原理

【直線形觸摸定位傳感器的鋼琴交互應用】

作者們展示了一種線性交互界面，用于自由彈奏鋼琴音樂。當沒有觸摸時，所有的活動觸摸按鈕都處于斷開狀態(tài)，直線形觸摸定位傳感器處于待機模式。當手指觸摸一個或兩個活動觸摸按鈕時，直線形觸摸定位傳感器的響應阻值會根據(jù)需求快速生成，同時驅動電路的輸出電壓也會相應改變。隨后，利用單片機對信號進行處理和分析。最后將相應的指令傳輸?shù)接嬎銠C發(fā)出聲音。由于不同的觸摸組合可以自由切換，輸出的電壓會相應地發(fā)生變化。直線形觸摸定位傳感器可以實現(xiàn)多樣性的觸摸組合，進而可以演奏出更多種類的音樂。

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人機交互控制】

一般來說，要控制無人機的9個飛行動作，常見的設備要求將9個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)生設計空間不足、生產(chǎn)周期長、信號處理復雜等問題。由于制造工藝的可擴展性和設計原理的通用性，作者們設計了圓盤形觸摸定位傳感器，以用于可編程的無人機控制。圓盤形觸摸定位傳感器由兩個電極、五個梯度電阻元件組成。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人機。當對圓盤形觸摸定位傳感器的觸摸區(qū)域進行一點或兩點接觸時，器件會快速產(chǎn)生響應信號。通過設計，只包含5個活動觸摸按鈕的圓盤形觸摸定位傳感器就可以操作無人機的9個飛行動作。需要注意的是，這個器件還可根據(jù)需要，開發(fā)出更多的觸摸組合，進而實現(xiàn)無人機多樣化的可編程動作控制。該圓盤形觸摸定位傳感器的簡單結構和功能通用性有效避免了傳統(tǒng)器件復雜的互聯(lián)線路結構，消除了信號傳輸?shù)母蓴_。

圖3圓盤形觸摸定位傳感器用于可編程的無人機控制

【基于深度學習的S形觸覺定位傳感器在個人特性識別中的應用】

在增強用戶驗證系統(tǒng)中，生物識別技術越來越多地應用于網(wǎng)絡安全和計算機用戶隱私中。敲擊動力學是一種重要的生物識別技術。其主要通過不同的觸摸特征來捕捉用戶的個人行為數(shù)據(jù)，包括觸摸位置、持續(xù)時間和觸摸間隔。作者們設計并構建了兩個電極、9個梯度電阻元件的S形觸摸定位傳感器，作于用戶識別與驗證的智能鍵盤。基于S形觸摸定位傳感器，作者們提出了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡輔助的生物識別技術。在實驗中，三個用戶輸入了相同的字符串。由于個人習慣的不同，因此每個用戶的按鍵動態(tài)信息是不同的。通過將人工智能與觸摸定位傳感器相結合，用戶訪問控制系統(tǒng)能夠有效地學習、適應和識別用戶按鍵行為特征信息，并對用戶進行識別與認證。

圖4人工智能輔助的基于S形觸摸傳感器的增強用戶驗證系統(tǒng)

總結：作者們設計了一種只有兩個電極的基于梯度電阻元件的觸覺定位傳感器，并探討了其在VR系統(tǒng)中的人機交互。該觸摸定位傳感器采用極簡化電極取代了復雜的電極陣列，避免了感知觸摸位置時的信號間干擾，極大地降低了多點觸摸轉換、融合、傳輸與識別的系統(tǒng)配置要求。觸覺定位傳感器的機械敏感信號具有高度區(qū)域分化，對不同時空動態(tài)的單點觸摸位置和多點觸摸位置都能進行有效識別并作出響應。觸摸定位傳感器憑借其獨特的多點觸摸感知結構和響應特性，可以有效地將一個或多個動態(tài)觸摸轉換為設定的指令，實現(xiàn)了多種VR應用。