清華團隊將石墨烯帶進元宇宙：集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，可快速準確進行3D人機交互

來源：麻省理工科技評論

原標題：《清華團隊將石墨烯帶進元宇宙：集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，拉伸應變可達1000%，界面厚度僅90μm》

時隔不到一月，再發頂刊。繼三月所發 Nature 論文成果首次實現亞 1 納米柵長晶體管之後，清華大學集成電路學院任天令教授團隊，結合多年深耕石墨烯研究的基礎，着眼於當下正火的元宇宙，研發出一款可集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，實現了快速準確的 3D 人機交互。

圖 | 集成眼動交互和觸覺感知的協同界面（來源：ACS Nano）

這款觸覺感知界面的厚度僅為 90μm，拉伸應變可達 1000%。在 0-300Pa 的小壓力範圍內，其觸覺感知界面的感知單位、也就是觸覺傳感器的靈敏度，可達 1.428kPa-¹。

根據觸覺傳感器像素點的信號時序，該界面可以實現方向控制，比如上、下、左、右等。在輔助眼電信號交互實現三維人機交互方面，該觸覺感知界面具有巨大潛力。

“坦率來講，我們目前（不僅）提出了眼電信號與觸覺感知協同的人機交互界面，並且已經完成交互界面器件的製備和實驗驗證。”任天令表示。

圖 | 任天令（來源：任天令）

4 月 6 日，相關論文以《三維人機交互的眼電與觸覺協同界面》（Electrooculography and Tactile Perception Collaborative Interface for 3D Human–Machine Interaction）為題發表在 ACS Nano 上 [1]。

圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）

用最簡單的結構，實現最理想的效果

在具體研究細節上，由於該團隊此前已具備蜂窩狀石墨烯的大規模製備技術，並對其轉移技術做了較多探索。因此，最初他們設計並實現了諸多複雜型轉移技術，比如靜電紡絲、無襯底紋身式等，也曾取得不少成果。

後來，他們想到既然石墨烯本身就是通過機械剝離法發現的，為何不採用這樣簡單的轉移方式來達到實驗效果？這裡需要考慮到的是可穿戴式的電極和觸覺感知界面的透氣性、柔性和可拉伸性，因此他們採用醫用透氣性柔性聚氨酯薄膜作為轉移和器件製備的基礎。

由於聚氨酯薄膜的柔軟性和延展性較好，彈性模量較低，因此在轉移過程存在巨大挑戰，這很容易導致轉移后的柔性聚氨酯薄膜發生較大變形，並致使蜂窩狀石墨烯電極陣列的損壞。

後來，該團隊設法將其解決，目前已能實現陣列化蜂窩狀石墨烯的轉移，並且轉移后的石墨烯仍呈現出完美的蜂窩狀結構，不僅沒有發生破損，柔性聚氨酯薄膜也沒有任何變形。

攻克轉移技術難題之後，接下來面臨的問題在於如何製備可穿戴式的觸覺感知陣列？期間，該團隊曾嘗試過使用不同介質層，來調節觸覺傳感器的性能。

幾經嘗試之後，他們打算用最簡單的結構，實現最理想的效果：即通過兩層蜂窩狀石墨烯陣列的堆疊，去實現觸覺傳感器的製備，讓柔性聚氨酯薄膜發揮最大作用和價值，也就是讓下層柔性聚氨酯薄膜作為介質層。

由於柔性聚氨酯薄膜的彈性模量較低、受壓變形能力則比較強，因此能為觸覺傳感器提供較高的靈敏度和較大輸出信號幅度，同時由於其具有較高粘附性，可直接作為與皮膚貼附的粘附層，保證其與皮膚貼附的透氣性和舒適性。

與此同時，在下層柔性聚氨酯薄膜的粘附層和整個觸覺感知陣列之間，上層的柔性聚氨酯薄膜還承擔著封裝層作用。

從石墨烯到人機交互界面

另據悉，使用設備時需要收集眼電圖。之所以這樣做，是因為儘管腦電信號的獲取成本低、可重複，但存在空間分辨率低、信噪比差的問題；而肌電信號是許多肌肉纖維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，通常需要在肌肉中插入電極針來記錄電位的變化，這很容易受到噪聲串擾的影響，同時侵入式的電極會給人體帶來創傷；而眼電信號的採集則更簡單，信號可重複性高、信噪比也比較高，同時成本低廉。

此外，選擇採集眼電圖作為人機交互界面的另一個原因在於，該團隊想通過眼球的運動實現無接觸式、快速和便捷的沉浸式人機交互。特別是對於存在運動障礙或肌肉障礙的人群來說，利用眼球運動來實現交互控制更具實際意義。

眼睛周圍的皮膚較為嬌嫩和敏感，那麼作為眼電信號信號感知層的關鍵部分——電極材料應該滿足三點要求：一是輕便和柔性可拉伸；二是電極-皮膚界面阻抗要盡量小且具有長期性能穩定性；三是電極具有長效貼附的穩定性和對皮膚友好，而現有的 Ag/AgCl 凝膠電極或金屬電極均無法滿足以上要求。

（來源：ACS Nano）

因此，該團隊開發出蜂窩狀石墨烯電極作為感知層，由於石墨烯和皮膚之間的直接接觸，離子（I−) 和電子（e−) 在石墨烯電極和皮膚之間的界面上直接交換，沒有離子濃度的衰減，這確保了電極-皮膚的低阻抗性。

相比傳統的金屬電極，結合柔性聚氨酯的蜂窩狀石墨烯電極材料，具有超高的柔性和可拉伸性，拉伸應變範圍可高達 1000%，並且此次採用的是基於醫療級的超薄柔性聚氨酯薄膜，本身具有高度透氣性、貼附性和生物兼容性，這讓電極材料與皮膚實現了完全的共形貼合，具有抗運動的長效貼附穩定性，再加上微米級孔徑的蜂窩狀石墨烯，電極具有優異的透氣性和舒適性。

這也是使用化學氣相沉積法製備的石墨烯傳感器所不具備的優勢，使用該方法製備的石墨烯往往不具備可拉伸性，且在製備更複雜、更昂貴，性能差異也更顯著。而該團隊基於激光誘導工藝製備的蜂窩狀石墨烯，可直接實現圖形化定製，再結合機械剝離轉移的工藝，讓電極的製備更加容易，並讓該團隊最終實現了大規模陣列化製備。

轉動眼球即可控制輪椅的前後左右移動

目前已有的頭戴式 VR 設備，主要提供視覺和聽覺效果體驗，而其交互設備主要依靠手持控制器。VR 屬於新一代信息技術的集大成者，在硬件上除了終端之外，還需要空間定位、手勢交互、眼動追蹤、語音交互等一系列感知交互技術，在核心配件上則需要光學器件、顯示屏、芯片、傳感器等，所需要的技術十分複雜。

事實上，在收集眼電信號之後，該界面可以實現快速、便捷、非接觸的二維人機交互，例如控制四軸飛行器的上、下、左、右運動。然而，面對其在三維空間的飛行或複雜的飛行軌跡控制，眼電信號信號的交互控制在精度和維度上都有局限性。

因此，任天令團隊才有了開發這款輔助界面的想法，以便實現精確可控的三維人機交互，為了實現操作上的合理性，他們想到通過可穿戴的觸覺感知界面，去實現視覺和觸覺協同交互的三維人機交互界面。

其中，眼電信號交互界面主要用於快速、便捷、非接觸的 2D（XY 軸）交互，觸覺感知界面則主要用於複雜的 2D 運動控制和 3D 人機交互中的 Z 軸控制。

（來源：ACS Nano）

在應用前景上，由於眼電信號界面和觸覺感知界面均是柔性可穿戴的，因此它們在協同作用之後，可以提供虛擬世界的三維空間定位和便攜式交互，讓人們告別手持笨重的交互控制器，並可通過眼電信號信號實現精準的眼動追蹤，在解放雙手的同時還可自由體驗視、聽、觸覺沉浸式虛擬世界的真實感受。

在現實世界中，也可作為人和機器的交互界面。比如，對於運動障礙人士來說，可讓其通過眼球的運動，去實現控制輪椅的前、后、左、右移動。總而言之，這款人機協同界面可給虛擬世界和現實世界提供自由無束縛、沉浸式的人機交互體驗。

日後，該團隊將在當前研究基礎上去開展具體的應用，他們將進一步提高眼電信號交互界面和觸覺感知界面的交互分辨率，並將設計眼電信號信號與觸覺感知界面信號的專用採集和無線傳輸電路，以期充分發揮視覺與觸覺的協同作用，再結合 VR 視覺設備，最終有望實現在虛擬空間中的三維人機交互的實際應用。

當頭戴式的 VR 設備被智能隱形眼鏡替代，我們在體驗沉浸式的虛擬世界時，感受也會更真實更自由，還有望通過控制眼球運動去瀏覽各種信息、以及執行簡單的交互，更有望通過可穿戴觸覺感知輔助界面實現便攜式精準交互。