電子皮膚羅盤：超薄、柔軟、應用潛力大！

導讀

近日，德國德累斯頓-羅森道夫研究中心的研究人員開發一種電子皮膚。這種電子皮膚是磁敏的，它靈敏到足以在地磁場中對身體運動進行檢測和數字化。這種電子皮膚不僅超薄，而且具有韌性，可以簡單地粘附於人體皮膚，製造出羅盤的仿生類似物。

背景

很久之前，古人就開始飛鴿傳書了。一隻信鴿，即使飛到千里之外的陌生地方，也能將信帶回家。

鴿子為什麼會具有這種神奇的力量？研究表明：鴿子的上喙具有一種能夠感應磁場的晶胞，鴿子就是靠地磁來判別方向的。

如果將鴿子看成一個半導體，當它在地球磁場中振翅飛翔時，翅膀會做切割磁感線運動，在兩翅之間產生感應電壓。鴿子朝不同方向飛行時，切割磁感線的方向不同，因此產生的感應電壓大小也不同，從而可以用於辨別方向。

創新

然而，科學家們的創新研究模仿了鴿子的導航方法。

近日，德國德累斯頓-羅森道夫研究中心（HZDR）的研究人員開發一種電子皮膚（e-skin）。這種電子皮膚是磁敏的，它靈敏到足以在地磁場中對身體運動進行檢測和數字化。這種電子皮膚不僅超薄，而且具有韌性，可以簡單地粘附於人體皮膚，製造出羅盤的仿生類似物。研究成果已經發表在《自然電子學（Nature Electronics）》期刊上。

技術

只要你將手向左側移動，屏幕上虛擬的熊貓就會向左下方移動；將手向右側移動，屏幕上虛擬的熊貓就會向相反的方向移動。這會讓人聯想起電影《少數派報告》中的場景，男主角湯姆克魯斯僅憑手部姿勢就可以控制計算機。16年前，這還是小說中的場景，如今卻變成了現實。這一切要歸功於 Denys Makarov 博士與他德累斯頓-羅森道夫研究中心的研究團隊。研究人員們既不需要笨重的手套、 累贅的眼鏡，也不需要複雜的攝像頭系統，就能控制熊貓的路徑。他們需要的僅是一條聚合物金屬薄片外加地球的磁場。金屬薄片的厚度不足千分之一毫米，可粘貼在手指上。

論文的領導作者 Gilbert Santiago Ca?ón Bermúdez 表示：「這種金屬薄片裝有磁場感測器，可檢測地磁場。我們正在談論的是40至60微特斯拉，它是一塊冰箱磁鐵的磁場強度的千分之一。」

這是科學家們首次展示高度柔順的電子皮膚，能根據它與地磁場之間的交互控制虛擬物體。先前的演示仍然需要一個外部的永磁體：「我們的感測器能根據地球的磁場，讓佩戴者能夠持續確認方向。因此，如果他或者身體穿戴感測器的部分改變方向，感測器就會捕捉到這種運動，然後經過轉化和數字化成為虛擬世界中的操作。」

這些感測器是由超薄的磁性材料坡莫合金組成，工作原理是一種稱為「各向異性磁阻」的效應，如 Ca?ón Bermúdez 所解釋的：「這意味著，這些層的電阻根據它們相對於外部磁場的方向而改變。為了根據特定的地球磁場對齊它們，我們用厚的導電材料片點綴這些鐵磁條，在這個案例中是用的金，呈45度角排列。這樣一來，電流只能在這種角度下流動，從而改變了感測器的響應，使之在非常小的場中變得最為靈敏。當感測器指向北的時候電壓最強；當感測器指向南的時候電壓最弱。」

電子皮膚羅盤的製造和機械性能（圖片來源：參考資料【2】）

電子皮膚羅盤的磁電特徵（圖片來源：參考資料【2】）

研究人員進行了戶外實驗，在實際條件下論證了他們的想法。當感測器粘貼在食指上時，用戶開始從朝北開始，首先朝西，然後朝南，最後返回，使得電壓相應地上升和下落。顯示的基本方位與作為參考的傳統羅盤相匹配。Bermúdez 表示：「這表明，我們能夠開發首個柔軟且超薄的攜帶型感測器，它可以重現傳統羅盤的功能，前瞻性地為人類實現人造的磁感應。」

戶外地磁測量實驗（圖片來源：參考資料【2】）

但是，這並不是全部。研究人員們也能夠將原理應用於虛擬現實，採用他們的磁感測器去控制計算機遊戲引擎 Panda3D 中的數字熊貓。在這些實驗中，指向北對應的是熊貓向左運動，指向南對應的是向右運動。當手位於左邊的時候，換句話說磁北，虛擬世界中的熊貓開始向那個方向移動。當手移向相反的方向時，熊貓轉身向相反方向運動。Denys Makarov 總結道：「我們能將真實世界地磁學刺激直接轉化到虛擬世界中。」

虛擬現實環境中的地磁相互作用（圖片來源：參考資料【2】）

價值

這項研究不僅能幫助到在辨明方向方面存在困難的人們，也將促進虛擬現實與增強現實系統中物體之間的交互。

因為感測器能夠承受住極度的彎曲和扭曲，而且不會喪失功能，研究人員們看到了這種感測器實際應用的潛力不僅限於虛擬現實。Gilbert Santiago Ca?ón Bermúdez 強調：「例如，心理學家，可以更加精準地研究人體中的磁感應效應，無需笨重的設備或者繁瑣的實驗設置，這些會使結果產生偏差。」

關鍵字

虛擬現實、電子皮膚、感測器

參考資料

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

【2】G.S. Ca?ón 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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