在過去幾十年中，人機界面（HMI）技術，特別是在可穿戴設備需求的推動下，迅速發展為更小、更輕、更高效、更堅固的形式。今天，我們也有各種自供電HMI，例如使用壓電和摩擦電來發電。盡管取得了這些進步，但大多數可穿戴HMI仍然對濕氣（如出汗和天氣條件）相對缺乏防御能力。

為了解決這個問題，加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院的一個研究團隊提出了防水、靈活、低成本皮膚集成人機界面的原型。該裝置包括磁彈性傳感器陣列，其將環境生物力學運動轉換為電信號。他們的研究發表在《應用物理評論》上。

該裝置本質上是防水的，生物相容性好，能夠將手指按壓所產生的力轉化為連續的電信號。該團隊通過控制音樂播放器和打開和關閉電燈來演示這一點。他們還在各種現實條件下進行了測試，包括噴水、大雨和劇烈體育活動。

由加州大學洛杉磯分校可穿戴生物電子學研究小組的Jun Chen領導的研究人員使用了19世紀60年代發現的磁彈性效應（也稱為逆磁約束），描述了機械應力下材料磁化的變化。事實上，目前的研究擴展了該小組早期的工作，證明了軟聚合物系統中的磁彈性效應。

Chen表示，傳統上能夠在剛性金屬和金屬合金中觀察到這種效應的。但2021年，研究人員在其實驗室中也觀察到了該效應，在一個由大小從微米到納米的磁鐵和聚合物基體組成的軟系統中。“與金屬和金屬合金相比，測量的磁彈性效應增強了五倍。”因此，他們稱之為“巨磁彈性效應”。談到他們目前的工作，他補充道，“我們利用這一發現開發了一種全新的可穿戴人機界面。”

原型是一個4×4厘米的陣列，包括兩個組件：多孔硅橡膠基質中的納米磁體層，將生物力學壓力（手指觸摸）轉化為磁響應；以及圖案化液態金屬線圈的磁感應層。后者響應磁場變化并發電（電磁感應）。

“通過這種方式，我們的設備以自供電方式工作，”Chen說，“與非自供電的傳統HMI設備相比，我們的設備將產生低得多的功耗。”

Chen說，制造磁彈性HMI設備的制造過程非常簡單。研究團隊使用了3D打印、反向模制工藝和激光圖案化等方法，但他補充說，通過探索更經濟的微磁體、納米磁體和聚合物基體材料，或者用適合大規模制造的精細設計的固體導線層替代液態金屬線圈層，可以進一步降低成本。

該材料具有柔性、彈性和耐久性，即使在軋制、折疊和拉伸時也能產生穩定的動力。此外，磁場不受設備潮濕的特別影響。它不受高達150%的應變干擾，在1赫茲頻率下表現出寬的壓力靈敏度和0.2秒的響應時間。這些特性有助于實時控制電子設備。在他們的演示中，研究人員集成了一個帶有按鈕的電路來操作臺燈和音樂播放器。

Chen對這項技術的商業化感興趣。他說：“由于這些設備柔軟、可穿戴且生物相容，因此可以廣泛應用于人機界面應用。” 可能的用途包括用于電子皮膚和軟致動器的機械敏感電子器件。他還預見了虛擬平臺的應用。另一個吸引人的潛在應用是身體運動傳感，它可以作為一個自供電的可拉伸應變傳感器，捕捉肢體、肌肉的運動和生命體征信號，用于生活方式、健身和健康相關應用，”他補充道。

同時，Chen指出，這項技術背后的基礎科學需要更多的基礎研究，以便科學家和工程師能夠對其屬性和物理極限有更深入的理解。他還想研究電壓輸出：“法拉第定律（說）輸出電壓與線圈數量和通過線圈的總磁通量的變化成線性比例。因此，研究的一個可能方向是更先進的制造技術，以增加磁機械耦合系數和線圈數量。”