基于石墨烯的可穿戴触摸屏，用于虚拟现实手写交互 | 青岛大学田明伟/曲丽君团队《acs nano》-凯发k8旗舰厅

       近些年来，触摸板因其精确、便捷的触摸交互体验，成为应用最为广泛的人机交互平台。然而，目前主流的触摸板大多采用硬质材料，缺乏本征柔性，难以应用于可穿戴领域。因此，开发出具有本征柔性的触摸板就成为亟待解决的关键问题。

       随着对柔性导电材料的深入研究，离子水凝胶因其本征柔性、导电性等特性，被广泛应用于可穿戴领域。基于此，研究人员开发出了多种基于离子水凝胶的柔性触摸板设备。然而，上述设备仍存在着触摸精度低、易受形变干扰及穿戴舒适性差等弊端，严重限制了其在可穿戴领域中的应用。

　　针对上述瓶颈，青岛大学田明伟教授、曲丽君教授团队与深圳大学张学记教授团队在前期研究基础上，报道了一种亲肤、可穿戴的离电式织物触摸板，通过自生长技术将离子水凝胶与织物基底复合，获得了优异的界面牢度。此外，利用表面电容式触摸感应原理，离电式织物触摸板具有应力-应变双不灵敏、超高精度触摸轨迹识别等特性，可实现生动的手写及绘画展示。相关工作以“skin-friendly and wearable iontronic touch panel for virtual-real handwriting interaction”为题目发表在acs nano 上。

文章要点：

图1 离电式织物触摸板交互以及生长装配策略

   通过利用表面电容式触摸感应原理以及自生长组装技术，离电式织物触摸板具有良好的界面牢度并可实现对触摸位置的实时定位，展示出高精度手写交互功能（图1 a-c）。

图2 离电式织物触摸板的制备过程展示

       离电式织物触摸板是典型的三明治结构，利用高弹针织物对聚丙烯酰胺-氯化锂离子水凝胶进行封装得到具有皮肤友好、穿戴舒适以及高弹性的离电式织物触摸板（图2 a,b）。通过自生长技术，可将离子水凝胶与织物基底结合在一起，赋予了离电式织物触摸板界面牢度性（图2 d-f）。此外，傅立叶变化红外光谱证明丙烯酰胺单体已完全聚合，具有无毒特性（图2 g）。同时，与之前报道的工作相比，在机械性能和环境稳定性层面，离电式织物触摸板具有显著的优势（图2 h）。值得注意的是，离电式织物触摸板的组件具有全柔性特性，适应与人体复杂的穿戴环境（图2 i-l）。

图3 离电式织物触摸板感应原理和感应特性分析

       表面电容式触摸感应原理是导体与人体间形成耦合电容，破坏了导体表面均匀的静电场，造成触摸点处电势下降，因此激发出触摸电流（图3 a）。并且，触摸电流的大小与触摸点距电极间的距离成线性关系，以此可实现一维线性定位功能如织物键盘（图3 b,c）。此外，离电式织物触摸板具有应变-应力双不灵敏特性，避免人体复杂的穿戴环境对触摸信号的干扰（图3 d-f）。

图4 离电式织物触摸板二维坐标定位功能展示

       在明确一维触摸定位原理的基础上，通过增设电极和理论计算，将离电式织物触摸板进行坐标化，实现触摸位置的二维坐标定位。此外，二维坐标定位功能仍具有应变-应力双不灵敏特性（图4 a-e）。进一步，通过多路信息采集系统和python交互语言的设计，可实现高精度实时手写展示（图4 f-i）。

图5 离电式织物触摸板皮肤友好和穿戴舒适性能展示

       与纯水凝胶基触摸设备相比较而言，织物触摸板具有干爽、吸湿、尺寸稳定性强等特性，适合人体长期穿戴使用（图5 a,b）。进一步，采用体外细胞培养，证明织物触摸板具有良好的生物相容性 （图5 c-e）。此外，通过经典的纺织加工手段，可将离电式织物触摸板与各类服装进行集成使用（图5 d）。

图6 离电式织物触摸板人机交互应用

        当一个人在戴在前臂上的触摸响应臂章上画一只熊猫时（图6 h），它就会出现在电脑上。通过对一维线性定位、二维坐标定位原理的系统研究，制备了一种“魔法袖套”可实现游戏控制、动作识别以及生动绘画功能（图6a）。利用python交互语言，“魔法袖套”可以代替键盘进行游戏操控，同时通过往复滑移可对电脑屏幕亮度进行精准控制（图6 b,c）。为了进一步展示织物触摸板的定位功能，对“魔法袖套”的功能进行优化设计，在手写区域前增设功能转换区域，可实现个性化绘图设计（图6 f-h）。

结论与展望

　　作者最后介绍道，柔性触摸设备在今后人机交互领域中具有广阔的应用前景。其中，生物相容性、抗机械形变干扰以及高精度触摸分辨率是柔性触摸设备的核心性能要素。本工作为今后可穿戴交互电子设备提供启发。

　　青岛大学博士生徐瑞东为第一作者，田明伟教授、曲丽君教授、张学记教授为通讯作者。研究获得国家重点研发计划（2022yfb3805801、2022yfb3805802），泰山学者工程专项经费（tsqn202211116），山东省重大科技创新工程（2019jzzy010335、2019jzzy010340），山东省青创科技创新团队（2020kja013），国家自然科学基金（22208178），山东省自然科学基金（zr2020qe074），纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室开放课题（no. sdhy2223）的共同资助。

文献信息：