柔性键盘的研究进展

汪浩鹏，陈健锋，徐钰豪，张楚婷，叶 鹏，郭文熹

（1.联合微电子中心有限责任公司，重庆 401332；2.厦门大学物理科学与技术学院，福建 厦门 361000）

0 引 言

在物联网时代的发展下，可穿戴键盘等输入设备将为提升人机交互可控性、扩展可穿戴应用场景提供更多可能［1］。对可穿戴键盘来说，如何在缩减设备体积的同时，保证足够的电池续航时间是关键的技术问题之一。

2012年，王中林院士团队发明了摩擦纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG）。由于TENG 制造简单、成本低、灵敏度高，已广泛用于声音［2］、脉搏［3］、触觉［4］和运动［5］等的实时检测。上述工作启发了可穿戴键盘的发展，TENG可捕捉人体本身击打键盘的机械能转变为电信号，实现人机信号传输和实时互动［6］。低功耗、自供电、柔性便携、用户体验友好的柔性键盘得以实现，极大提高了电子设备的人机交互性能。

本文首先对不同结构的柔性键盘的最新研究进展进行了综述；其次，对当前柔性可穿戴键盘所用的材料、原理及应用场景进行了总结；最后，对该领域面临的主要挑战和发展方向进行了分析和展望。

1 不同结构的柔性键盘

根据结构的不同，柔性可穿戴键盘可分为矩阵式、指环或手环形式以及手势识别式三种。矩阵式键盘具有矩阵分布按键，和目前最常用的键盘类似。指环式或手环式键盘则通过构建传感器相应方式和输出内容之间的映射关系获得特定的输出。此外，基于传感器组合的手势识别设备也可用作键盘或人机交互的输入端，用于输入字母、数字和特定的短语。

1.1 矩阵式柔性键盘

Jeon S B等人［7］提出了一种基于TENG 的柔性键盘，只使用廉价的商业织物，如图1（a）所示。TENG 采用单电极模式，分别选用棉花和镍作为衬底和电极材料，该键盘的每个单元在没有任何电源的情况下根据外部触摸产生电信号，并连接到数据采集板上。经过适当的过滤过程后，所提出的键盘可以检测到没有任何歧义的击键。Wu C等人［8］基于接触分离式摩擦纳米发电机（CS-TENG）为传感器制备了16 格的矩阵式柔性键盘，通过连续输入数字“8-3-7-5-0-9-2-4-1-6”，从制作的数字键盘发出的电信号如图1（b）所示。Shi R等人［9］制作了一种基于图案化微结构的柔性透明电容压力传感器，以银纳米线（Ag nanowires，AgNWs）／聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）（AgNWs／PDMS）复合薄膜为介质薄膜，中间夹以氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）／聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）（～50 μm）薄膜作为上下电极，与平面结构的纯PDMS介质层相比，微结构传感器具有灵敏度高、阈值低、良好的稳定性和耐久性，用该压力传感器制作了5 ×5阵列的柔性透明的矩阵式可穿戴键盘系统。

图1 TENG矩阵式键盘

1.2 手环或指环式柔性键盘

Tan P等人［10］研发了一种可实现全字母和多命令输入的手势识别手环键盘。这种手环键盘基于生理解剖，并辅以主动传感器和机器学习技术。该手环键盘在手势指令识别、残疾人辅助设备、可穿戴电子设备等领域具有广阔的应用前景。Saha B 等人［11］开发了一类由还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）图案纸基板（rGO纸）制成的可穿戴传感器。用这种rGO 纸传感器制成的rGO 纸指环键盘可以用来跟踪手势控制机械手运动，还可以通过触控点亮LED，如图2（a）所示。Liu J等人［12］提出了一种新一代指环式键盘输入系统，如图2（b）所示。基于摩擦起电和静电感应的耦合，戴在五指上的单电极模式TENG 可以将手指的敲击转化为电信号。同时，通过开发元音模式下的数字对编码表，将26个英文字母和必要的指令通过五指敲击的方式整合到WKIS中。该装置的主体是一层超薄的丝素膜（silk fibroin film，SF），具有生物相容性、透水性、透气性和皮肤保形性，适合作为戒指长期戴在手指上。数据编码和传输过程通过印刷电路板（printed circuit board，PCB）和WiFi模块完成，实现键盘通信。

图2 手环或指环式柔性键盘

1.3 手势识别式柔性键盘

基于柔性传感器的手势识别系统通常与手套集成，或者穿戴在手上，由一组传感器组成，多通道同时采集不同部位的手部运动信息，再与机器学习技术相结合，对人类手势进行识别，并将识别结果以文字、图片或者语音的形式输入到电脑或者手机上。Pan J等人［13］展示了一个混合柔性可

穿戴手势识别键盘，如图3（a）所示，由简单的双峰电容传感器和定制的低功率接口电路集成机器学习算法组成，以准确识别复杂的手势。16 通道传感器阵列同时提取手指运动（变形）和手位置（接近）的时空信息。使用机器学习，独立于用户的静态和动态手势识别的准确率分别达到了99%和91%。该手势识别键盘可以应用于符号通信、远程机器人和智能制造领域。Wang T等人［14］报道了一种基于离子电子电容式压力传感阵列和深度卷积神经网络的柔性穿戴式手势识别系统，如图3（b）所示。整个电容阵列被集成到一个灵活的硅胶腕带中，可以舒适、方便地缠绕在手腕上。该压力传感阵列由夹在两个柔性丝网印刷电极阵列之间的离子电子薄膜组成，具有高灵敏度、快速响应时间和高耐用性。该成果提高了可穿戴式手势感知界面的灵活性和交互性。

图3 手势识别柔性键盘

2 不同工作原理的柔性键盘

由于键盘在输入文字或数字时需要点击，输入方向指令时需要点击或者滑动，因此所用的材料通常能够对压力或摩擦力做出响应。目前主要应用材料的摩擦起电机理和电阻／电／电压随外界刺激而变化的机理，制备相应的传感器和柔性键盘。

2.1 摩擦电式的柔性键盘

基于摩擦起电和静电感应的TENG 自2012 年首次被报道之后，由于其具有超高输出和高能量转换效率，越来越多被用来为传感器和电子设备供电。Dudem B 等人［15］提出了一种柔性键盘方案，通过使用LabVIEW从生物动力学的TENG驱动中解码生成摩尔斯电码，从而克服了延迟和地稳定性问题，如图4（b）所示。作者创新性地提出使用生态友好的，可回收或重复利用的塑料和碳涂层回收纸擦拭布（PWs）作为TENG的制备原材料。基于TENG的摩尔斯电码生成器制成可穿戴式腕带键盘，可以在未来的物联网智能应急系统中发挥重要作用。Yi J 等人［16］提出了一种高度灵活和自供电的完全基于织物的摩擦电式键盘，具有三明治结构，用于生物力学能量收集和实时生物识别认证，如图4（c）所示。所制备的F-TENG 可以通过低频运动为电子表供电，可以对微小压力变化做出响应。作者制备了银织物作为导电层，涂敷了CNT／SDBS 的棉织物和浸泡过PTFE的涤纶织物作为摩擦层，通过集成大面积F-TENG传感器阵列，制作了自供电可穿戴键盘（self powered wearable keyboard，SPWK），该键盘可以跟踪记录电生理信号，具有吸湿、柔软、透气和舒适等优点。

图4 摩擦电式和复合材料式柔性键盘

2.2 电阻／电容／压电式的柔性键盘

柔性导电复合材料主要指柔性材料和导电材料混合后形成的材料，这种材料同时兼具柔性和导电性，可以用来制作电阻式传感器，进而开发电阻式柔性键盘，也可以用作电容传感器的电极并制作电容式键盘。此外，柔性压电材料在压力刺激下会发生压电效应，在材料外部产生电压信号，因此也常被用于制作柔性键盘。Shi R等人［17］制作了一种基于图片化微结构AgNWs／PDMS 复合介质的柔性透明电容压力传感器。该电容压电传感器以PET 为衬底材料和保护层，以ITO 为电极，并用参杂了AgNWs 的PDMS 复合膜作为介电层。基于此压力传感器，开发了柔性透明的5 ×5阵列式可穿戴键盘系统。Hu Z 等人［18］报道了一种具有压阻和压电传感的柔性应变传感器复合水凝胶。该复合水凝胶由交联壳聚糖季铵盐（CHACC）为水凝胶基体，聚（3，4-乙烯二氧噻吩）∶聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT∶PSS）为导电填料，聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）为压电填料组成，如图4（c）所示。采用一锅热成型溶液交换法合成了CHACC／PEDOT∶PSS／PVDF-TrFE 水凝胶。基于此开发了设计了3 ×3的柔性可穿戴阵列式键盘。Tang L等人［19］通过从有图案的液态金属颗粒中铸造和剥离聚合物，在聚合物宿主中形成表面嵌入金属，展示了可打印的、高度可拉伸的和生物相容性的金属-聚合物导体（MPCs）电阻式传感器，如图4（d）所示。作者基于这些传感器开发了可穿戴手套键盘，在传统的打字动作中具有出色地稳定性。

3 不同应用场景柔性键盘

随着TENG的发展，柔性键盘可以收集击键能量，实现自供电，摆脱冗长杂乱的充电线和笨重的电池的束缚。此外在某些网络信息安全要求较高的行业中，传统键盘所能提供的安全性有限，而柔性键盘正好能增加安全性。Xu M等人［20］将基于导电核壳SiO2／聚苯胺（PANI）（PS）微球和SF／聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）纤维（SP）的多层导电膜制成的柔性键盘连接在计算器的输入电路电极上，如图5（a）所示，将这种灵活的键盘也用于钢琴演奏。Bhat A等人［21］介绍了一种人环（human-in-loop，HIL）传感技术，用该传感器制作了低输入延迟的柔性键盘，并作为对输入延迟要求较高游戏的手套键盘，如图5（b）所示。Yi J 等人［22］提出了一种高度灵活和自供电的完全基于织物的TENG（fiber-TENG，F-TENG），具有三明治结构，制作了SPWK，如图5（c）所示。在连续输入“SMART TEXTILE”对应按键的同时，实时跟踪定位PC端虚拟键盘。该键盘不仅可以跟踪记录电生理信号，还可以利用Haar 小波识别用户的打字特征，这个功能可以更好地保证信息安全，解决了数字密码丢失、泄露或遗忘等问题。

图5 不同应用场景的柔性键盘

考虑到打字操作在人们日常生活中的高频率，其所产生的生物力学能量是非常大的。Li S等人［23］展示了一种高度柔性的TENG，它完全由弹性材料制成，作为传统键盘的外壳，从打字中获取生物力学能量，如图5（d）所示。由于结构和材料的创新，建立了双模工作机制，转移电荷密度高达140 μC／m2。完全封装的键盘形状的TENG 进一步集成了一个喇叭状聚吡啶基超级电容器作为自供电系统。

4 总结与展望

尽管目前柔性键盘引起越来越多研究者的关注，也取得了巨大的研究成果，但离真正的商业化还有很大的差距。由于柔性材料的弛豫和易疲劳、易损耗等问题未得到根本解决，柔性键盘的稳定性和响应速度还存着较大的不足。同时，目前的研究主要集中在信号传感方面，数据采集和处理电路大部分仍然是使用基于PCB的电路模块，这增加了柔性键盘的体积，降低了便携性和柔软度。此外，目前使用最多的信息电子产品主要为手机、电脑和汽车，柔性键盘的应用场景有待进一步挖掘和开发。以上这些都是制约柔性键盘发展的重要因素。综上，尽管目前柔性键盘仍需要解决一系列问题，但随着科技理论和材料的快速发展，柔性键盘将具有无限的发展空间和市场前景。