電子皮膚是一種柔韌、輕盈而靈活的新型可穿戴裝置，能夠模擬人類皮膚的感測特性。它可捕捉機械性的刺激，將其轉化為電信號讀出，是人體與電子終端之間的連接紐帶。電子皮膚的潛在應用領域可從健康監測擴展到智慧感知，所以愈來愈受關注。我們的團隊基於「電磁感應」原理和「彈性體的固有振動」原理研發出一種自供電、輕便的可穿戴貼片。這種創新的貼片為未來可穿戴的人機互動界面的設計提供更簡便的新視角。
經典的物理學定律：電磁感應定律
「法拉第電磁感應定律」（簡稱：「法拉第定律」）是物理學基本定律之一，也是眾多電感器和發電器的核心運作原理。根據這個定律，只要導電體的線圈層中發生局部磁通量變化，便能產生感應電動勢（EMF）。受此經典定律啟發，我們推斷出只要改變磁通量的空間分佈，便能將機械能化為電能。基於這個原理，由柔性磁化元件和導體組成的電子皮膚可用自供電方式來運行，減少對外部功耗的依賴。
來自自然界的啟發：彈性微結構的固有振盪特性
法拉第定律也詳述了時間變量對感應電動勢幅值的影響。磁通量的變化愈快，期間產生的電動勢信號就愈明顯。這在實際應用中對提升信號的精確度和減少噪音干擾有重要作用。
受自然現象的啟發，許多彈性系統都具有特徵頻率，主要由其結構特性所決定。例如，「物體和彈簧系統」的頻率由彈簧的常數和物體的質量所決定；簡單擺錘的擺動週期則受擺長所控制。
我們的團隊發現，人造的彈性微結構（微柱）依然遵循相似的自然行為規律。彈性膠體和釹磁鐵（NdFeB）微粒子組成的微柱經磁化後能產生永久磁矩。在進一步研究中，我們證實通過調整微柱的尺寸參數或物理特性，可以改變其固有頻率。這項發現使我們得以大幅縮短磁化彈性微柱的振盪時間，產生更強烈的電信號，確保通信準確。
磁偶極子用於方向感知
自然界的磁體均有兩個磁極（南極和北極），構成磁偶極子。如果將一塊永久磁體一分為二，兩塊新的磁體亦各有一個南極和一個北極。這個規律適用於更小的磁體，包括微米尺度的微柱；這些微柱一旦磁化，必然也有一對相反的磁極。
基於這個觀察，我們的團隊認為，磁體的南極和北極提供了一個感知方向的機制。當磁化後的微柱朝北極或南極方向變形時，導電體線圈中的磁通量會隨之產生正向或負向變化。這些變化能轉成明確可辨的「+/-」或「-/+」電動勢信號，能被電子終端準確識別。
設計可感知平面內力向的可穿戴貼片
基於感應電動勢的正負信號，單個磁化微柱只能回應兩個在一維上相反方向的力。我們觀察到，只要調節電壓峰值的數量，便可感知出一個平面中源於不同軸向（例如+X、-X、+Y和-Y方向）的力。
通過精確設計一些磁化微柱的方向和排列，我們開發了一種測量定向面內力的界面。基於電壓峰值的數量和極性，這個界面可通過完全互不重疊的信號，識別來自+X、-X、+Y和-Y方向的平面力。因此，這個可穿戴界面只需一個通信通道和兩個電極，便能區分來自四個方向的機械力。
可穿戴貼片：從智慧控制到娛樂
一個易於使用的可穿戴式人機互動系統應該輕便和低功耗，我們的設計正能滿足要求。評估這類系統有多實用時，電子連接和通信的方法是重要的考慮因素。一些研究人員曾用可穿戴感測器陣列作為人機互動界面，由於涉及多條電子連接和通信通道，難免增加其功耗和佔用的空間。相反，我們設計的界面可根據力的不同方向輸出互不重疊的信號，只需一個通信通道便可完成信號交互。
為評估這個可穿戴貼片的各項功能，我們還開發了一些用於軌跡映射、機器人控制、數字密碼輸入和摩斯密碼通信的應用界面。在整個應用過程中，我們的可穿戴貼片在耐用性、抗濕度、準確性和通用適用性方面均有優勢。我們期望這種可穿戴貼片能提供新的解決方案，滿足柔性和可穿戴電子產品對高效人機互動界面日益增長的需求，研究成果已於學術期刊《Chemical Engineering Journal》發表。
作者：
方丹是澳門大學應用物理及材料工程研究院博士研究生，本研究的論文第一作者，研究集中於柔性感測器和智能材料。
周冰樸是澳門大學應用物理及材料工程研究院副教授，擁有香港科技大學納米科學與技術博士學位，其研究領域包括柔性電子學、可穿戴設備和智能界面。
文、圖 / 方丹、周冰樸
中文翻譯 / 葉浩男
來源：《澳大新語》第28期
