一項新研究將人體運動直接轉(zhuǎn)化為無線控制信號，為可穿戴設(shè)備與機器人交互開辟高效、低功耗新路徑。3月27日，重慶大學(xué)物理學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，在國際期刊《自然·傳感》上發(fā)布了一項創(chuàng)新成果。該研究成功開發(fā)出一種新型自供能無線傳感器，能夠?qū)⑷梭w手臂運動直接、同步地轉(zhuǎn)化為控制機械臂的無線指令，整個過程中無需電池供電。這為構(gòu)建下一代低功耗、高自主性的可穿戴人機交互系統(tǒng)提供了全新方案。

在當(dāng)前的人機交互與遠(yuǎn)程操控中，主流可穿戴系統(tǒng)通常需要電池供能，并依賴獨立的感知、通信模塊協(xié)同工作。這種“供能-感知-通信”分立的架構(gòu)不僅增加了系統(tǒng)復(fù)雜性與體積，其長期運行也受限于電池續(xù)航，維護成本較高。

論文示意圖

為解決上述問題，研究團隊巧妙設(shè)計了一種雙層三元滑動式摩擦納米發(fā)電機，作為核心能量轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)人手臂彎曲或伸展時，該裝置能將運動機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是，研究團隊將這一發(fā)電過程與信號生成、無線傳輸深度耦合。

通過結(jié)合特殊設(shè)計的碳纖維機械開關(guān)與強耦合磁諧振無線傳輸技術(shù)，研究實現(xiàn)了“運動產(chǎn)生能量，能量即時生成并發(fā)送特定控制信號”的一體化流程。手臂的不同運動姿態(tài)，會對應(yīng)產(chǎn)生不同的離散電脈沖信號。這些信號無需經(jīng)過復(fù)雜的編碼和處理，便能無線驅(qū)動遠(yuǎn)處的機械臂做出同步、對應(yīng)的動作，仿佛為機械臂裝上了“本能反應(yīng)”。

這項成果并非一蹴而就。論文通訊作者重慶大學(xué)物理學(xué)院副教授蒲賢潔介紹，這一成果基于該團隊在自供電感知領(lǐng)域長達(dá)近十年的系統(tǒng)性研究：從2017年最初實現(xiàn)簡單的觸碰觸發(fā)，到2018年將復(fù)雜人體運動量化為電信號，再到2024年實現(xiàn)高密度量化信號的遠(yuǎn)距離無線傳輸，直至本次最終實現(xiàn)可控信號與無線傳輸?shù)膮f(xié)同，達(dá)成實時、同步的過程性控制。逐步推動自供電感知體系從“信號產(chǎn)生”向“能量-信息協(xié)同轉(zhuǎn)換與傳輸”演進。

《自然·傳感》同期發(fā)表的觀點文章指出，面向具身智能的發(fā)展需求，更關(guān)鍵的不只是性能提升，還在于系統(tǒng)范式重構(gòu)，即在統(tǒng)一物理鏈路中實現(xiàn)“運動-能量-信息”的協(xié)同建模與聯(lián)合設(shè)計。在這一框架下，自供電不再是獨立的供能模塊，而成為信息生成機制的一部分，使通信從持續(xù)能耗負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橛山换ナ录匀挥|發(fā)的過程，從而降低系統(tǒng)冗余并提升長期運行能力。

該研究為構(gòu)建低能耗、低維護、可擴展的無線感知單元提供了新的路徑。未來，相關(guān)技術(shù)有望在可穿戴人機交互、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)以及分布式具身智能網(wǎng)絡(luò)等場景中得到應(yīng)用，為實現(xiàn)更加自然、高效的智能交互提供技術(shù)基礎(chǔ)。

來源：重慶大學(xué)