电子皮肤罗盘：超薄、柔软、应用潜力大！

导读

近日，德国德累斯顿-罗森道夫研究中心的研究人员开发一种电子皮肤。这种电子皮肤是磁敏的，它灵敏到足以在地磁场中对身体运动进行检测和数字化。这种电子皮肤不仅超薄，而且具有韧性，可以简单地粘附于人体皮肤，制造出罗盘的仿生类似物。

背景

很久之前，古人就开始飞鸽传书了。一只信鸽，即使飞到千里之外的陌生地方，也能将信带回家。

鸽子为什么会具有这种神奇的力量？研究表明：鸽子的上喙具有一种能够感应磁场的晶胞，鸽子就是靠地磁来判别方向的。

如果将鸽子看成一个半导体，当它在地球磁场中振翅飞翔时，翅膀会做切割磁感线运动，在两翅之间产生感应电压。鸽子朝不同方向飞行时，切割磁感线的方向不同，因此产生的感应电压大小也不同，从而可以用于辨别方向。

创新

然而，科学家们的创新研究模仿了鸽子的导航方法。

近日，德国德累斯顿-罗森道夫研究中心（HZDR）的研究人员开发一种电子皮肤（e-skin）。这种电子皮肤是磁敏的，它灵敏到足以在地磁场中对身体运动进行检测和数字化。这种电子皮肤不仅超薄，而且具有韧性，可以简单地粘附于人体皮肤，制造出罗盘的仿生类似物。研究成果已经发表在《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

只要你将手向左侧移动，屏幕上虚拟的熊猫就会向左下方移动；将手向右侧移动，屏幕上虚拟的熊猫就会向相反的方向移动。这会让人联想起电影《少数派报告》中的场景，男主角汤姆克鲁斯仅凭手部姿势就可以控制计算机。16年前，这还是小说中的场景，如今却变成了现实。这一切要归功于 Denys Makarov 博士与他德累斯顿-罗森道夫研究中心的研究团队。研究人员们既不需要笨重的手套、 累赘的眼镜，也不需要复杂的摄像头系统，就能控制熊猫的路径。他们需要的仅是一条聚合物金属薄片外加地球的磁场。金属薄片的厚度不足千分之一毫米，可粘贴在手指上。

论文的领导作者 Gilbert Santiago Cañón Bermúdez 表示：“这种金属薄片装有磁场传感器，可检测地磁场。我们正在谈论的是40至60微特斯拉，它是一块冰箱磁铁的磁场强度的千分之一。”

这是科学家们首次展示高度柔顺的电子皮肤，能根据它与地磁场之间的交互控制虚拟物体。先前的演示仍然需要一个外部的永磁体：“我们的传感器能根据地球的磁场，让佩戴者能够持续确认方向。因此，如果他或者身体穿戴传感器的部分改变方向，传感器就会捕捉到这种运动，然后经过转化和数字化成为虚拟世界中的操作。”

这些传感器是由超薄的磁性材料坡莫合金组成，工作原理是一种称为“各向异性磁阻”的效应，如 Cañón Bermúdez 所解释的：“这意味着，这些层的电阻根据它们相对于外部磁场的方向而改变。为了根据特定的地球磁场对齐它们，我们用厚的导电材料片点缀这些铁磁条，在这个案例中是用的金，呈45度角排列。这样一来，电流只能在这种角度下流动，从而改变了传感器的响应，使之在非常小的场中变得最为灵敏。当传感器指向北的时候电压最强；当传感器指向南的时候电压最弱。”

电子皮肤罗盘的制造和机械性能（图片来源：参考资料【2】）

电子皮肤罗盘的磁电特征（图片来源：参考资料【2】）

研究人员进行了户外实验，在实际条件下论证了他们的想法。当传感器粘贴在食指上时，用户开始从朝北开始，首先朝西，然后朝南，最后返回，使得电压相应地上升和下落。显示的基本方位与作为参考的传统罗盘相匹配。Bermúdez 表示：“这表明，我们能够开发首个柔软且超薄的便携式传感器，它可以重现传统罗盘的功能，前瞻性地为人类实现人造的磁感应。”

户外地磁测量实验（图片来源：参考资料【2】）

但是，这并不是全部。研究人员们也能够将原理应用于虚拟现实，采用他们的磁传感器去控制计算机游戏引擎 Panda3D 中的数字熊猫。在这些实验中，指向北对应的是熊猫向左运动，指向南对应的是向右运动。当手位于左边的时候，换句话说磁北，虚拟世界中的熊猫开始向那个方向移动。当手移向相反的方向时，熊猫转身向相反方向运动。Denys Makarov 总结道：“我们能将真实世界地磁学刺激直接转化到虚拟世界中。”

虚拟现实环境中的地磁相互作用（图片来源：参考资料【2】）

价值

这项研究不仅能帮助到在辨明方向方面存在困难的人们，也将促进虚拟现实与增强现实系统中物体之间的交互。

因为传感器能够承受住极度的弯曲和扭曲，而且不会丧失功能，研究人员们看到了这种传感器实际应用的潜力不仅限于虚拟现实。Gilbert Santiago Cañón Bermúdez 强调：“例如，心理学家，可以更加精准地研究人体中的磁感应效应，无需笨重的设备或者繁琐的实验设置，这些会使结果产生偏差。”

关键字

虚拟现实、电子皮肤、传感器

参考资料

【1】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=57205

【2】G.S. Cañón Bermúdez, H. Fuchs, L. Bischoff, J. Fassbender, D. Makarov: Electronic-skin compasses for geomagnetic field driven artificial magnetoception and interactive electronics, in Nature Electronics, 2018 (DOI: 10.1038/s41928-018-0161-6)

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