来源：ACS Publications
人工智能 （AI）、虚拟现实 （VR） 和增强现实 （AR） 的快速发展极大地激发了人们对人机交互 （HMI） 的研究兴趣和投资。这些新兴技术使用户能够直观地与计算终端或机械设备交互，确保准确识别，同时保持自然舒适的人体动作。有效的交互系统要求传感器能够将各种形式的信息转换为电信号，并无缝适应不同的接触表面，包括硬度、曲率和平面度的差异。然而，传统传感器通常具有有限的多功能性和刚性结构，限制了它们在检测机械刺激及其在曲面或柔性表面上的应用的性能。为了克服这些限制，研究人员推出了各种创新的柔性传感器，例如电阻式传感器、压力/触觉传感器 /振动传感器 /温度传感器 /湿度传感器 /生化传感器 /和气体检测传感器。尽管已经取得了重大进展，但这些灵活的传感器通常会产生无法直接用视觉解释的信号，从而使它们的作复杂化并限制了自适应优化。相反，光信号通过颜色、强度或触觉反馈的变化实现可视化，从而有效应对这些挑战。因此，压力传感器与电致发光或电致变色材料相结合，被开发出来创造可穿戴 HMI 设备，将触觉刺激转化为人类和设备都易于识别的视觉信号。Craig 等人推出了一种具有增强机械灵敏度的柔性传感器，将 ML 复合材料集成到多层纳米颗粒微孔结构（NP-MP 结构）中。然而，制造这种高性能多孔复合材料所涉及的复杂性限制了它们的广泛采用。Pan 的团队开发了一个完全光学的触觉传感平台，利用嵌入聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 矩阵中的 ML 材料，能够将摩擦和拉伸等触觉刺激转换为多色发光。由于需要在昏暗的照明条件下进行相机拍摄，因此其实用性受到限制。Peng 小组合成了三元异质结 ML 粉末 （（3ZnS/2CaZnOS)1–xSrZnOSx），与商用 ML 粉末相比，表现出卓越的发光强度，突出了它们在光学机械传感方面的潜力。尽管取得了这些进步，但大多数关于柔性发光传感器的研究主要集中在改善材料的本征特性上。此外，当前的设备通常涉及复杂的结构、多个电路和外部电源，从而影响了灵活性和用户舒适度。因此，在这个快速发展的技术时代，开发低成本、便携且应用广泛的自供电、视觉交互机械传感器已成为迫切需求。
在可穿戴人机交互设备中，生物力学能量收集或环境能量收集以取代传统电源变得越来越普遍。能够将机械能直接转换为功能性电信号的自供电传感材料代表了柔性传感技术的一项突出创新，可实现高效和连续运行。虽然许多现有的柔性 ML 传感器依赖于外部电源、复杂的电路或仅在有限的条件下工作，但它们在便携性、集成性和实时响应性方面仍然受到限制。为了克服这些挑战，我们提出了一种创新的自供电光机械传感方法，该方法能够将机械刺激直接和视觉转换为光信号。开发的 OSWD 集成了摩擦电诱导 ML 材料和颜色检测模块，提供精确的应力识别、清晰的机械力可视化和完全的能量自主性。OSWD 采用简化的结构设计，没有复杂的电极或电路，利用摩擦电势来感应 ML 信号，从而产生灵敏且视觉直观的力响应，非常适合各种 HMI 场景。磁芯传感材料，由稀土和过渡金属离子掺杂的Ca10Li(PO4)7:Tb3+/Mn2+/Dy3+嵌入 PDMS 中，在机械应力下发出不同的绿色、红色和黄色发光，这些发光由集成的 RGBTCS 颜色传感器检测到，并通过 2.4 GHz 模块无线传输。OSWD 可准确检测关节运动，应变响应从低至 0.6% 到 180% 以上，实现高达 1.13% 的相对传感灵敏度。这样可以精确匹配和捕获手指运动过程中产生的机械刺激。通过可视化机械力，OSWD 不仅有助于直观的人体识别，还允许无线数据采集和传输，从而显著提高人机交互的效率。开发的系统有效地区分和编码信号，以便实时远程控制电子设备。由于其成本效益和可扩展性，OSWD 在虚拟现实、增强现实和智能机器人等前沿领域表现出巨大的应用潜力。