通过呼吸控制操作“智能家居”

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通过呼吸控制操作“智能家居”

【导读】：

创新的人机界面（HMI）在系统控制和残疾人辅助设备领域引起了越来越多的关注。基于身体运动或语言交流的交互设计的传统 HMI 对严重残疾用户无效或不适用。在这里，报告了一种呼吸驱动的摩擦电传感器，由一个软固定器和两个圆形摩擦电纳米发电机 (TENG) 组成，用于自供电呼吸监测和智能系统控制。该传感器装置能够有效地检测呼吸变化，并根据不同的呼吸模式产生响应的电信号，而不影响正常的呼吸。演示了一种呼吸驱动的 HMI 系统，用于为重度残疾人控制家用电器，并展示了用于紧急报警的智能呼吸监测系统。新系统具有灵敏度高、稳定性好、成本低、使用方便等优点。

凯斯西储大学的研究人员创造了一个简单的原型设备，使用户能够通过改变他们的呼吸模式来控制“智能家居”技术。

呼吸驱动摩擦电传感器的结构设计及工作机理。a) 设计的基于 TENG 的 HMI 系统示意图。b) 摩擦电传感器的结构部件示意图。c，d）摩擦电传感器原型的照片。e) 具有表面微结构的 Ecoflex 薄膜的 SEM 图像。比例尺，50 µm。f) 摩擦电传感器工作原理示意图。g) FEA 模拟的传感器两个摩擦电层中的电势分布。

这种自供电装置可放入鼻孔中，并有可能提高行动不便或无法清晰说话的人的生活质量。如果个人呼吸困难，它还可以编程为医务人员提供自动警报。

“我们相信，在一个小型设备中同时具备这两种能力——智能技术控制和医疗警报——让这变得与众不同，”机械和航空航天工程助理教授曹昌勇说，他正在领导该设备的研发。设备。

曹和他的合作者最近在Advanced Materials Interfaces杂志上发表了他们的研究。该团队包括最近的博士后庞耀坤（现为中国青岛大学教授）和博士。学生陈守。曹说，他还为他们的原型设备申请了专利。

“智能技术”革命

智能家电和智能家居技术共同构成了一个快速发展的行业，因为数百种消费级家电和设备都支持蓝牙或并入“物联网”（IoT）。

智能家电包括照明和能源控制系统、空调和安全系统。它们可以远程控制或编程以自主执行。

但对于不能说话或不能用肢体对设备进行编程的用户来说，智能技术的好处几乎是不可能获得的。

“智能技术很棒——但前提是你可以真正使用它，”曹说。“例如，我们的新设计将允许任何正在呼吸的人能够打开和关闭设备，或更改恒温器的设置。”

设备工作原理

曹和他的合作者使用一种称为摩擦纳米发电机 (TENG) 或摩擦起电的技术来使该设备工作。

TENG 可以将从环境中收集的机械能转化为电能，为传感器等小型设备供电或为消费电子产品充电。

这项在过去十年中认真开发的技术使科学家能够将日常机械能转化为有用的电能。自然环境中存在的能量包括雨、风，甚至是日常的身体运动，例如双手接触、走路，或者在这种情况下是呼吸。

曹说，该设备被称为“呼吸驱动的人机界面（HMI）系统”，由于其简单的设计和功能，可能在三到五年内向公众提供。他说，该团队将在未来几个月和几年内继续研究原型，为实际使用做好准备。

为残疾人士展示 HMI 系统。a) 设计的基于 TENG 的 HMI 系统示意图。b) 从上到下，第一个信号是来自 TENG 的原始呼吸信号。第二张是经过滤波放大后的电压信号。最后一个显示转换后的触发信号。c) 演示通过 HMI 系统控制家用电器。d) 志愿者正常呼吸或停止呼吸时的呼吸和开关信号。e) 演示用于呼吸停止报警的智能呼吸监测（IRM）系统。当患者停止呼吸 10 秒后，将触发警报通知医生或护理人员

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