清華團隊將石墨烯帶進元宇宙：集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，可快速準確進行3D人機交互_元宇宙:元宇宙被國家認可嗎

來源：麻省理工科技評論

原標題：《清華團隊將石墨烯帶進元宇宙：集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，拉伸應變可達1000%，界面厚度僅90μm》

時隔不到一月，再發頂刊。繼三月所發?Nature論文成果首次實現亞1納米柵長晶體管之后，清華大學集成電路學院任天令教授團隊，結合多年深耕石墨烯研究的基礎，著眼于當下正火的元宇宙，研發出一款可集成眼動交互和觸覺感知的協同界面，實現了快速準確的3D人機交互。

圖|集成眼動交互和觸覺感知的協同界面

這款觸覺感知界面的厚度僅為90μm，拉伸應變可達1000%。在0-300Pa的小壓力范圍內，其觸覺感知界面的感知單位、也就是觸覺傳感器的靈敏度，可達1.428kPa-1。

根據觸覺傳感器像素點的信號時序，該界面可以實現方向控制，比如上、下、左、右等。在輔助眼電信號交互實現三維人機交互方面，該觸覺感知界面具有巨大潛力。

清華大學沈陽：區塊鏈搭建元宇宙的經濟體系:12月26日，由中國攝影家協會影像產業委員會主辦，中國攝影出版社、視覺中國承辦的“影像產業新趨勢：“區塊鏈+”影像產業新趨勢研討會在京舉行。會上，清華大學新媒體研究中心執行主任沈陽以《區塊鏈、NFT與元宇宙》為題進行分享。他指出，元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界和現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并允許每個用戶進行內容生產和世界編輯。元宇宙仍是一個不斷發展、演變的概念，不同參與者以自己的方式不斷豐富著它的含義。

在沈陽看來，元宇宙不斷向著“虛實融生”的方向發展。元宇宙的價值源與區塊鏈有著密切的關聯性，如土地經濟等。

沈陽表示元宇宙存在著一定的風險，如資本操縱、算力壓力、隱私風險、知識產權、沉迷風險等等問題，因此引入區塊鏈技術十分關鍵。[2021/12/26 8:04:39]

“坦率來講，我們目前提出了眼電信號與觸覺感知協同的人機交互界面，并且已經完成交互界面器件的制備和實驗驗證。”任天令表示。

清華大學朱民：未來數字貨幣可能會遍及全球:3月20日，在由國務院發展研究中心主辦的“中國發展高層論壇2021”上，清華大學國家金融研究院院長朱民表示，未來10年紙幣仍然會存在，不會完全消失，但是可能會減少40%。未來數字貨幣可能會遍及全球。（金十）[2021/3/21 19:04:06]

圖|任天令

4月6日，相關論文以《三維人機交互的眼電與觸覺協同界面》為題發表在ACSNano上。

圖|相關論文

用最簡單的結構，實現最理想的效果

在具體研究細節上，由于該團隊此前已具備蜂窩狀石墨烯的大規模制備技術，并對其轉移技術做了較多探索。因此，最初他們設計并實現了諸多復雜型轉移技術，比如靜電紡絲、無襯底紋身式等，也曾取得不少成果。

清華校友總會博士后校友分會IT專委會科技實驗基地正式成立:金色財經現場報道，2020年8月14日，全球區塊鏈創新發展大會于江西贛州開幕，會上清華校友總會博士后校友分會IT專委會科技實驗基地正式揭牌成立。[2020/8/14]

后來，他們想到既然石墨烯本身就是通過機械剝離法發現的，為何不采用這樣簡單的轉移方式來達到實驗效果？這里需要考慮到的是可穿戴式的電極和觸覺感知界面的透氣性、柔性和可拉伸性，因此他們采用醫用透氣性柔性聚氨酯薄膜作為轉移和器件制備的基礎。

由于聚氨酯薄膜的柔軟性和延展性較好，彈性模量較低，因此在轉移過程存在巨大挑戰，這很容易導致轉移后的柔性聚氨酯薄膜發生較大變形，并致使蜂窩狀石墨烯電極陣列的損壞。

后來，該團隊設法將其解決，目前已能實現陣列化蜂窩狀石墨烯的轉移，并且轉移后的石墨烯仍呈現出完美的蜂窩狀結構，不僅沒有發生破損，柔性聚氨酯薄膜也沒有任何變形。

攻克轉移技術難題之后，接下來面臨的問題在于如何制備可穿戴式的觸覺感知陣列？期間，該團隊曾嘗試過使用不同介質層，來調節觸覺傳感器的性能。

聲音 | 清華大學程小永：區塊鏈是為AI智能新物種準備的數字社會治理體系:10月21日，清華大學互聯網產業研究院兼職研究員程小永發表文章《區塊鏈是為AI智能新物種準備的數字社會治理體系》。文章指出，未來萬物互聯，萬物有腦。第四次工業革命的最終成果，將以智能機器新物種的成熟為標志。智能機器物種將與人類并存。區塊鏈點對點技術協議以及智能合約、可編程數字貨幣技術，與物聯網及5G結合，將實現智能機器物種們：設備網絡化、數據化、數據資產化、資產交易化、交易金融化。智能機器物種們將通過區塊鏈，進行數據交易協作，MPC算法協作及數字貨幣激勵。區塊鏈是基于代碼信任而產生的一種分布式記賬技術，其代碼信任而產生的共識機制，帶來了全新的貨幣體系和金融體系，顯然，這種基于代碼的信任體系并不是為由細胞組成的人類而準備的，而是為同樣由代碼構成的未來智能機器新物種們而準備的協作、分配、金融等一些列智能機器社會治理新體系。這個基于代碼信任而構建金融、經濟、協作、治理體系，是為未來智能機器人而準備的，它將與人類世界現有金融經濟社會治理體系二元發展。[2019/10/21]

幾經嘗試之后，他們打算用最簡單的結構，實現最理想的效果：即通過兩層蜂窩狀石墨烯陣列的堆疊，去實現觸覺傳感器的制備，讓柔性聚氨酯薄膜發揮最大作用和價值，也就是讓下層柔性聚氨酯薄膜作為介質層。

清華大學尹稚：區塊鏈使共治共享的管制體制成為可能:今日，2018特色小鎮高峰論壇在北京召開。清華大學新型城鎮化研究院執行副院長尹稚表示，中國到了一個可以既推動中心城市發展，同時能夠兼顧中小城市，乃至兼顧鄉村振興，共同發展的時代。以“區塊鏈”為代表的去中心化技術，使得建立共治共享高度去中心化的管理體制成為可能。[2018/4/21]

由于柔性聚氨酯薄膜的彈性模量較低、受壓變形能力則比較強，因此能為觸覺傳感器提供較高的靈敏度和較大輸出信號幅度，同時由于其具有較高粘附性，可直接作為與皮膚貼附的粘附層，保證其與皮膚貼附的透氣性和舒適性。

與此同時，在下層柔性聚氨酯薄膜的粘附層和整個觸覺感知陣列之間，上層的柔性聚氨酯薄膜還承擔著封裝層作用。

從石墨烯到人機交互界面

另據悉，使用設備時需要收集眼電圖。之所以這樣做，是因為盡管腦電信號的獲取成本低、可重復，但存在空間分辨率低、信噪比差的問題；而肌電信號是許多肌肉纖維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，通常需要在肌肉中插入電極針來記錄電位的變化，這很容易受到噪聲串擾的影響，同時侵入式的電極會給人體帶來創傷；而眼電信號的采集則更簡單，信號可重復性高、信噪比也比較高，同時成本低廉。

此外，選擇采集眼電圖作為人機交互界面的另一個原因在于，該團隊想通過眼球的運動實現無接觸式、快速和便捷的沉浸式人機交互。特別是對于存在運動障礙或肌肉障礙的人群來說，利用眼球運動來實現交互控制更具實際意義。

眼睛周圍的皮膚較為嬌嫩和敏感，那么作為眼電信號信號感知層的關鍵部分——電極材料應該滿足三點要求：一是輕便和柔性可拉伸；二是電極-皮膚界面阻抗要盡量小且具有長期性能穩定性；三是電極具有長效貼附的穩定性和對皮膚友好，而現有的Ag/AgCl凝膠電極或金屬電極均無法滿足以上要求。

因此，該團隊開發出蜂窩狀石墨烯電極作為感知層，由于石墨烯和皮膚之間的直接接觸，離子（I?)和電子（e?)在石墨烯電極和皮膚之間的界面上直接交換，沒有離子濃度的衰減，這確保了電極-皮膚的低阻抗性。

相比傳統的金屬電極，結合柔性聚氨酯的蜂窩狀石墨烯電極材料，具有超高的柔性和可拉伸性，拉伸應變范圍可高達1000%，并且此次采用的是基于醫療級的超薄柔性聚氨酯薄膜，本身具有高度透氣性、貼附性和生物兼容性，這讓電極材料與皮膚實現了完全的共形貼合，具有抗運動的長效貼附穩定性，再加上微米級孔徑的蜂窩狀石墨烯，電極具有優異的透氣性和舒適性。

這也是使用化學氣相沉積法制備的石墨烯傳感器所不具備的優勢，使用該方法制備的石墨烯往往不具備可拉伸性，且在制備更復雜、更昂貴，性能差異也更顯著。而該團隊基于激光誘導工藝制備的蜂窩狀石墨烯，可直接實現圖形化定制，再結合機械剝離轉移的工藝，讓電極的制備更加容易，并讓該團隊最終實現了大規模陣列化制備。

轉動眼球即可控制輪椅的前后左右移動

目前已有的頭戴式VR設備，主要提供視覺和聽覺效果體驗，而其交互設備主要依靠手持控制器。VR屬于新一代信息技術的集大成者，在硬件上除了終端之外，還需要空間定位、手勢交互、眼動追蹤、語音交互等一系列感知交互技術，在核心配件上則需要光學器件、顯示屏、芯片、傳感器等，所需要的技術十分復雜。

事實上，在收集眼電信號之后，該界面可以實現快速、便捷、非接觸的二維人機交互，例如控制四軸飛行器的上、下、左、右運動。然而，面對其在三維空間的飛行或復雜的飛行軌跡控制，眼電信號信號的交互控制在精度和維度上都有局限性。

因此，任天令團隊才有了開發這款輔助界面的想法，以便實現精確可控的三維人機交互，為了實現操作上的合理性，他們想到通過可穿戴的觸覺感知界面，去實現視覺和觸覺協同交互的三維人機交互界面。

其中，眼電信號交互界面主要用于快速、便捷、非接觸的2D交互，觸覺感知界面則主要用于復雜的2D運動控制和3D人機交互中的Z軸控制。

在應用前景上，由于眼電信號界面和觸覺感知界面均是柔性可穿戴的，因此它們在協同作用之后，可以提供虛擬世界的三維空間定位和便攜式交互，讓人們告別手持笨重的交互控制器，并可通過眼電信號信號實現精準的眼動追蹤，在解放雙手的同時還可自由體驗視、聽、觸覺沉浸式虛擬世界的真實感受。

在現實世界中，也可作為人和機器的交互界面。比如，對于運動障礙人士來說，可讓其通過眼球的運動，去實現控制輪椅的前、后、左、右移動。總而言之，這款人機協同界面可給虛擬世界和現實世界提供自由無束縛、沉浸式的人機交互體驗。

日后，該團隊將在當前研究基礎上去開展具體的應用，他們將進一步提高眼電信號交互界面和觸覺感知界面的交互分辨率，并將設計眼電信號信號與觸覺感知界面信號的專用采集和無線傳輸電路，以期充分發揮視覺與觸覺的協同作用，再結合VR視覺設備，最終有望實現在虛擬空間中的三維人機交互的實際應用。

當頭戴式的VR設備被智能隱形眼鏡替代，我們在體驗沉浸式的虛擬世界時，感受也會更真實更自由，還有望通過控制眼球運動去瀏覽各種信息、以及執行簡單的交互，更有望通過可穿戴觸覺感知輔助界面實現便攜式精準交互。

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