Nat. Commun.：编织现实与虚拟，人机交互新媒介——编织电子绳

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

灵活的传感器、友好的交互界面在新型人机交互研究和智能设备开发中起着至关重要的作用。然而在设计以人为中心的具有方便且高效的自然交互界面仍然面临着重大挑战。近日，华中科技大学陶光明教授团队在Nature Communications 期刊发表研究论文，提出了一种具有无感化、可设计、可工业量产的编织电子绳，并实现具有无感化的人机交互界面。该编织电子绳是一种小型化柔性纺织品，其外观与自然纺织品无异。为实现高精度交互，本文设计了一种多特征融合算法，其可以实现在编织电子绳上精准识别触摸位置、触摸区域以及触摸手势的动作。识别的结果被反馈到各种交互式终端，不同的交互功能展示了绳结形态的设计多样性和应用多样性。编织电子绳具有用户友好性、优异的耐用性和丰富的交互模式，有望促进未来人机一体化的发展。

绳子作为人类使用的最古老的材料之一，是最强大的工具之一，也是最被忽视的工具。在1956年出版的《马林斯派克水手》（The Marlinspike Sailor）一书中，海洋插图画家赫维•史密斯（Hervey Garrett Smith）曾写道，绳子“可能是人类最了不起的发明”。一束纤维也许看似做不了什么事，但是，当纤维纺成纱线、纱线拧成股线、股线编成绳子或绳索时，就会变得强大而灵活，创造出无限的可能性。从缝制衣物，到连接、绑结各种物体，一根绳线或绳索有许多的用途，很难想象一个没有某种形式的绳子或绳索来完成诸多任务的人类文化。

那么，古老的绳结与人工智能相互碰撞，会擦出怎样的火花？ 

图1. 编织电子绳的工业制造过程概述

本文设计了一种基于绳结构的自然交互界面，使其作为超链接将网络空间与现实世界相连接，为用户提供自然的人机交互体验。如图1所示，本文选用纺织基材与电子基材，通过传统的包覆工艺及编绳工艺，制备了一种基于电容式应变传感器的无感化、可设计且可批量生产的编织电子绳。

图2. 编织电子绳的性能表征

制备得到的编织电子绳是一种具有大长径比、高柔软度的类一维交互界面，如图2所示，该编织电子绳具有极佳的抗疲劳耐久性（能够至少承受10000次施压卸载循环），并且可以测量大压力范围 (0～480 kPa)，在低压力区域 (0～14 kPa)灵敏度可达0.00241 kPa^-1，满足日常交互的需求。它可以在小直径（2.5mm）范围内实现对不同位置、不同接触面积、不同施压动作的手势的实时识别，在人机交互方面具有潜在的应用价值。 

图3. 基于编织电子绳的人机交互系统

基于编织电子绳的交互系统采用多特征融合算法，如图3所示，可以识别编织电子绳的不同位置、不同接触区域以及在单个编织电子绳上执行的不同动作的手势，且具有较高的交互准确率（96%）。

得益于绳的细直径，柔软，一维形态的特点，如图4所示，基于编织电子绳的交互系统有多种设计策略，例如以发绳、手环、乐器、枕头等形态融入生活。编织电子绳可集成于发辫中实现音乐播放器的播放、切歌、暂停、调节音量等功能。

发辫交互系统

为了进一步证明其他编织结构的编织电子绳的应用多样性，本文设计了扁平结构编织电子绳用作智能手环在紧急情况下可控制手机进行呼救，以及单结编织电子绳集成在服装上作为可穿戴弦乐器。

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智能可穿戴弦乐器

图4. 基于编织电子绳的智能交互应用场景

此外，包芯压力传感纱线也可以用作电容式压力传感器，受智能无感化数字病房的启发，我们还在医院枕头上开发了两层刺绣，以帮助行动受限的患者进行远程遥控操作。行动不便的患者可以触摸刺绣控制灯的开关，这也为编织电子绳在数字病房的应用带来新的思路。

触控枕头

总结与展望

在人机交互界面以自然化、便捷化、高效化的需求背景下，本文设计并开发了一种无感化、可设计且可批量生产的编织电子绳，并提出一种多特征融合算法用于编织电子绳的交互系统，该算法可以实现在编织电子绳上精准识别触摸位置、触摸区域以及触摸手势的动作，且可以达到较高的交互准确率（96%）。本文基于编织电子绳展示了以发绳、手环、乐器、枕头等自然融入生活的多种交互系统，极大丰富了其可设计和可扩展的用户交互界面，这种编织电子绳具有用户友好性、优异的耐用性和丰富的交互模式，将极大地促进未来人机一体化的发展。在未来，基于编织电子绳的接口可以广泛部署到任何地方，以构建基于自然交互界面的物理世界和数字世界。它将极大地使人类享受新型材料和人工智能技术带来的智能交互。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Imperceptible, designable, and scalable braided electronic cord

Min Chen, Jingyu Ouyang, Aijia Jian, Jia Liu, Pan Li, Yixue Hao, Yuchen Gong, Jiayu Hu, Jing Zhou, Rui Wang, Jiaxi Wang, Long Hu, Yuwei Wang, Ju Ouyang, Jing Zhang, Chong Hou, Lei Wei, Huamin Zhou, Dingyu Zhang, Guangming Tao*

Nat. Commun., 2022, 13, 7097, DOI: 10.1038/s41467-022-34918-x

通信作者简介

陶光明，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院教授，致力于研究纤维光电子学的交叉学科研究工作，在Science等学术期刊发表论文超80篇，拥有已授权国际/国内发明专利35项、申请国家发明专利45项。陶教授任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国光学学会红外与光电器件专业委员会委员、Advanced Fiber Materials期刊副主编、《激光与光电子学进展》编委、《纺织学报》编委、中国奥林匹克委员会备战巴黎奥运会科学顾问、湖北省拳击协会发起人和副会长等。陶教授所带领的科研团队围绕着产业技术创新关键问题，创建了世界上首条光学超材料织物器件生产线，成果入选“2021年中国光学十大进展”、入选“2021 中国光学领域十大社会影响力事件(Light10)”，入选“2021年度中国科学十大进展”候选项目等，科研工作详见：http://fibers.wnlo.hust.edu.cn/  。

科研思路分析

编辑部（后简称Q）：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

论文第一作者学生欧阳静宇（后简称A）：在陶老师的指导下，我的研究兴趣是研究开发具有便捷高效且以用户为中心的自然交互界面。为了克服商用智能设备的平面刚性特征带来的穿戴异物感，我们将具有柔性、轻质及可穿戴性的多功能纤维和嵌入式机器学习算法结合的柔性电子技术为设计各种类型的智能设备接口提供了独特的技术优势，这使得交互界面更接自然，更具有便捷性。绳结具有细直径、柔软、类一维形态的特点，随着更复杂的编织结构（包括扁平编织、圆形编织和三维结构几何形状的编织）的发展，手工制作技术和自动化处理技术为日常生活的界面设计提供了更多的可能性。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：我觉得本项研究中最大的挑战是如何确保纱线传感结构稳定。由于弯曲、挤压等多种动作都会致使纱线变形，导致棉线层中的螺旋应力和纤维形态不稳定，这将影响传感的可靠性和准确性。在整个研究过程中，我们团队在纤维及纱线制备过程方面的所积累的经验起了至关重要的作用。此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要团队内材料科学和计算机科学方向的研究成员进行反复的沟通磨合，以达成共识，共同进步。

Q：该研究成果可能有哪些独特优势和应用前景？ 

A：该编织电子绳具有无感化、可设计且可批量生产的独特优势。

1. 优异的交互性能

具有螺旋通道分布的编织电子绳可以识别不同位置、不同接触面积和不同运动的手势，承受至少10000次的压缩释放循环，而不会出现任何明显的退化，且在不同温湿度环境下具有稳定的交互准确率，这意味着使用寿命长。

2. 易于制造且成本低至3块钱

我们选用纺织基材与电子基材，通过工业化的包覆工艺及编绳工艺，利用自动化设备大批量制备了基于包芯纱线的编织电子绳。简单估算一下，一根编织电子线的成本估算3块钱左右。

3. 结构可设计

得益于绳的细直径、柔软、一维形态等特点，基于编织电子绳的交互系统有多种设计策略，例如以发绳、手环、乐器、枕头等形态融入生活。将绳结编织到头发中，发辫可以控制音乐播放器的音量和音乐的播放；将扁平结构编织电子绳用作智能手环在紧急情况下可控制手机进行呼救；单结编织电子绳集成在服装上作为可穿戴弦乐器。

编织电子绳为物理世界和数字空间之间的通信和交互提供了新思路。编织电子绳具有用户友好性、优异的耐用性和丰富的交互模式，将极大地促进未来人机一体化的发展。在未来，基于编织电子绳的接口可以广泛部署到任何地方，以构建基于自然交互界面的物理世界和数字世界。它将极大地使人类享受新型材料和人工智能技术带来的智能交互。