Interactie tussen machines en mensen is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van de nieuwe technologieën van de metaverse, die zijn ontworpen om de menselijke ervaring te vergroten door middel van cloud computing en uitgebreide realiteit (XR). Grafeen, een tweedimensionaal koolstofmateriaal, is naar voren gekomen als een ideale kandidaat voor draagbare sensortechnologie en maakt de weg vrij voor een nieuw tijdperk van naadloze mens-machine-interactie (HMI).

Een team van materiaalwetenschappers onder leiding van Tian-Ling Ren van de Tsinghua Universiteit in Beijing, China, schetste onlangs de stand van zaken op het gebied van op grafeen gebaseerde HMI-sensortechnologie om onderzoek in het veld te bevorderen. Geavanceerde sensortechnologieën die flexibel en licht zijn en continu kunnen worden gedragen, zijn ideaal voor HMI en hebben potentiële toepassingen in zowel de meeslepende virtuele wereld van de metaverse als draagbare gezondheidszorgtechnologieën.

Het huidige onderzoek is gericht op het creëren van sensoren die in staat zijn om met bijna elk deel van het lichaam te communiceren dat kan worden gemeten, inclusief de hersenen, ogen en mond. Deze metingen kunnen vervolgens worden gebruikt om lichaamsinformatie te karakteriseren door een interfacemachine.

Het team publiceerde hun recensie in Carbon Future .

"In deze review presenteren we een overzicht van enkele van de inspanningen van ons onderzoeksteam om op grafeen gebaseerde sensoren te maken voor mens-machine-interfaces. Deze sensoren, ontworpen voor gebruik op verschillende delen van het menselijk lichaam, worden geïntroduceerd met de nadruk op hun doel signalen, ontwerp, productieproces en prestatiekenmerken Daarnaast verdiepen we ons in potentiële toekomstige ontwikkelingen voor op grafeen gebaseerde sensoren, waaronder multimodaliteit, verbeterd comfort en intelligentie”, zegt Tian-Ling Ren, senior auteur van het reviewpaper, professor. aan de School of Integrated Circuit en adjunct-decaan van de School of Information Science and Technology aan de Tsinghua Universiteit.

Dr. Ren is ook de Yangtze River Scholar Professor van het Chinese Ministerie van Onderwijs en vice-directeur van het Center for Environmental and Health Sensing Technology aan de Tsinghua Universiteit.

Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt als een hexagonaal rooster. De unieke eigenschappen van grafeen, waaronder indrukwekkende geleidbaarheid, lage chemische reactiviteit, flexibiliteit en lichtgewicht, maken het materiaal een ideale kandidaat voor de ontwikkeling van mens-machine-interfacesensoren.

Het onderzoeksteam schetst de vooruitgang die is geboekt bij op grafeen gebaseerde sensoren die zijn ontworpen om een ​​verscheidenheid aan verschillende signalen van het lichaam te meten. “Veel delen van het menselijk lichaam, van top tot teen, hebben het potentieel om te worden ontwikkeld tot mens-machine-interfaces. Hersenen, ogen, oren, neus, mond, keel, vingertoppen, huid, gewrichten en voeten kunnen allemaal worden gebruikt als HMI-interfaces gebaseerd op elektro-encefalogram (EEG), elektromyografie (EMG), elektro-oculogram (EOG), oogbeweging, licht, ademhaling, stem, aanraking, temperatuur, beweging, gang en andere fysiologische informatie", aldus Tian-Ling Ren.

Mensen kunnen ook profiteren van de output die door machines wordt gegenereerd, en de ontwikkeling van multimodale sensoren die kunnen wisselen tussen signaalmeting, zoals geluidsperceptie, en signaaluitvoer, zoals geluidsopwekking, zal met name nuttig zijn voor HMI's. Het team van Ren heeft in een eerder onderzoek de geluidsproductie van grafeen aangetoond.

Tian-Ling Ren zei:"Met behulp van machine learning kan deze interface spraakherkenning, emotieanalyse, inhoudsverwerking en meer mogelijk maken, waardoor het ideaal is voor intelligente robotcommunicatie."

Een van de uitdagingen bij de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde sensoren is het bereiken van een meetbereik dat groot genoeg is om zeer dynamische zintuigen te detecteren, zoals de tastzin. Om dit probleem aan te pakken zijn grafeendruksensoren met een breed gevoeligheidsbereik ontwikkeld met behulp van losjes gestapelde laser-scribed grafeenfilms (LSG) die bij toenemende druk in dichtheid toenemen. De verhoogde filmdichtheid veroorzaakt op zijn beurt een verandering in de gemeten weerstand met een bereik dat groot genoeg is om een ​​hoge gevoeligheid te bereiken.

Het onderzoeksteam verwacht dat de herziening de ontwikkeling zal stimuleren van nieuwe op grafeen gebaseerde sensoren die zijn ontworpen om meer natuurlijke HMI's mogelijk te maken en de realtime gegevensverzameling en respons in de gezondheidszorg te verbeteren. "Er wordt verwacht dat op grafeen gebaseerde sensoren voor HMI de komende jaren diverser en praktischer zullen worden. In hetzelfde deel van het lichaam kunnen mens en machine op veel verschillende manieren met verschillende signalen communiceren", zegt Tian-Ling Ren.

Meer informatie: Tianrui Cui et al, Op grafeen gebaseerde sensoren voor mens-machine-interactie, Carbon Future (2023). DOI:10.26599/CF.2023.9200005

Aangeboden door Tsinghua University Press