研究背景
随着传感技术和信息技术的快速发展，智能柔性电子技术已经成为一个热门的研究课题，特别是关于人工智能(AI)和人机交互(HMI)等前沿技术，大大方便和丰富了人们的生活。有效的整体设计和不断改进的用户体验是 HMI 系统发展的关键。然而，传统的电子设备往往是僵硬和不方便的，限制了它们的可穿戴性和与人体皮肤的适应性，这严重影响了传感的准确性和用户体验。在此基础上，全球许多研究人员已经研究了具有更突出的伸展性和灵活性的柔性电子设备，用于健康监测和手势互动等应用。这些柔性设备可以固定在任何形状的物体上，如皮肤、手套和球拍，以持续实时地监测人类行为。人机界面是用户和机器之间信息交流的桥梁，也是下一代应用，如虚拟现实(VR)不可缺少的环节。一般来说，一个典型的人机界面系统可以被分为几个部分，包括信号感知、信息传输、信号处理和反馈执行。在这些部分中，信号感知是最重要的部分，因为它检测外部刺激，特别是触觉信号，并建立整个交互过程的基础。
迄今为止，在人机界面系统中经常利用几种原理进行感应，包括压电、压阻、电容和静电摩擦效应。其中，基于压电效应的人机界面传感器，可以对施加的机械刺激产生电位移，由于其具有高灵敏度、快速响应时间和自供电操作的突出性能已被广泛用于触觉感应。此外，由于反压电效应，压电材料可以在外部电场的作用下发生变形，这有利于制备具有传感和驱动功能的多合一装置。此外，结合各种新型技术，如增强现实 (AR)、虚拟现实和机器学习，压电人机界面(P-HMIs)有望将人们的日常生活提高到一个更加智能、方便的水平。
研究成果
人机互动对智能传感和有效操纵的要求越来越高。具有短响应时间和高力-电相互转换效率的柔性压电传感器的最新发展呈现出促进各种人机互动应用的趋势。在此，西南交通大学杨维清/邓维礼教授等人回顾了在机器人控制、物联网、体育教练和声学治疗方面的柔性压电人机互动的发展。基于最近的研究详细阐述了独特材料的合成、设备结构的独特设计、压电人机互动的典型应用以及前沿技术的整合。最后，强调了当前压电人机交互的挑战和发展方向，以实现更先进的应用场景。相关报道以“Recent progress in flexible piezoelectric devices toward human-machine interactions”为题发表在Soft Science期刊上。
图文导读
Figure 1. Overview of P-HMIs， including robotic control， the Internet of Things， sports coaching， acoustic therapeutics and machine learning.
Figure 2. P-HMIs for robotic control.
Figure 3. P-HMIs for IoT.
Figure 4. P-HMIs for sports coaching.
Figure 5. P-HMIs for acoustic therapeutics.
Figure 6. Machine learning-enhanced P-HMIs.
Figure 7. Outlook for P-HMIs: from piezoelectric materials to future applications.
总结与展望
自从压电效应被发现以来，全球的研究人员一直在寻找方法来提高压电设备的性能和丰富其应用。在这篇综述中，围绕机器人控制、物联网、体育教练、声学治疗和机器学习等方面的应用，介绍了P-HMs的最新进展。鉴于P-HMIs学术研究的最新趋势，描绘了一个综合图来阐述P-HMI的总结和观点，如图7所示。作为压电器件的基石，压电材料在很大程度上决定了其综合性能，如灵敏度和响应范围。如何提高压电材料(包括有机材料无机材料、复合材料和生物材料)的机电耦合效率是未来研究的重点，特别是要同时考虑机械柔性和压电输出。此外，器件结构的有效设计在 P-HMIs 中也发挥着重要作用。平面、夹层和三维结构是三种最受欢迎的人机界面结构。通过改进结构设计以满足特定场景的应用要求来开发高性能压电设备是另一个重要的研究方向。
随着云计算和大数据的发展，可穿戴式 P-HMI 可以收集人类健康相关的生理和行为信息。在此基础上，海量的数据将在云平台上进行处理和计算，可以提取更详细的信息。此外，通过云端高效的数据分析，未来将更好地促进远程智能医疗等应用。此外，受益于尖端的纳米技术和组织工程技术，P-HMI将变得更加微型化，对人体更加友好。结合机器学习和其他算法，具有大规模传感和反馈的 P-HMI 在许多领域显示出巨大的前景如智能诊断、智能教育、生物识别等，这对提高我们日常生活的质量和便利性具有重要意义。然而，P-HMI要实现上述的智能应用，仍有许多挑战必须解决：
(1) 长期以来，机械灵活性和压电输出之间的竞争关系一直是柔性压电器件的研究重点。如何平衡它们之间的关系以获得高性能的 P-HMI，需要进一步探讨，特别是综合考虑用于传感的压电效应和用于驱动的反压电效应。
(2) 许多不同的工作原理可用于人机界面的传感和驱动，多种原理的融合是一个重要的发展趋势。不同原理的耦合有望使混合型柔性人机界面设备表现出更好的灵敏度、更宽的检测范围和更高的信噪比。
(3) 为了获得更准确和更高分辨率的监测信息，用于人机界面的传感器的数量将继续增加，随之而来的是，它对压电设备的大规模制备和海量信息的处理提出了更高的挑战。
(4) P-HMIs 通常涉及多学科的交叉，包括材料科学、机械工程、电子技术、生物医学工程等。在未来，科学家和工程师将需要更多的跨学科知识来参与 P-HMIs 的复杂研发过程，以推进其实际应用。
综上所述，柔性压电人机交互设备在学术界和工业界都引发了众多的想法和思考。虽然科幻小说中的幻想不会一下子实现，但随着 P-HMI的发展，越来越多的有意义的应用将会实现。智能人机界面将为我们日常生活的各个方面带来便利和效率，将其提高到我们无法想象的水平。
文献链接
Recent progress in flexible piezoelectric devices toward human-machine interactions
https://dx.doi.org/10.20517/ss.2022.23
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