人机界面信息管理系统是人与机器之间为完成既定任务而进行信息传递与交换的媒介。触摸定位传感器是一种重要的人机界面，它可以用于人体与虚拟或现实世界之间的多种交互。随着人工智能的发展，基于人机界面的智能交互系统已经成为电子与计算机行业的一个重要应用，这需要触摸定位传感器与深度学习协同工作。对于触摸定位系统来说，单点触摸输入可以实现简单的点击、滑动、拖动等控制，多点触摸输入可以实现图像缩放、对象控制等高级识别操作。触摸定位传感器目前的趋势是从结构简单的单一功能到高分辨率阵列式结构的多功能发展，其中需要有巧妙的结构设计才能实现多种功能交互。目前，触摸定位传感器作为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和元宇宙（Metaverse）的可编程电子交互平台，受到功能不稳定、信号间干扰以及电极数量多的复杂结构的限制。

近日，厦门大学陈忠/廖新勤团队联合新加坡南洋理工大学Yuanjin Zheng教授提出并证明了一种仅需两个电极就可以用于多点识别人机交互系统的一体化触摸定位传感器。该触摸定位传感器采用了一种被称为梯度电阻元件的新型功能结构，可以对多种机械触摸进行广泛地检测与位置识别，为人工智能辅助的人机交互提供多种可能性和实用性。图形化的功能敏感材料可以转化为用户自定义的有趣而生动的多点触摸定位传感器，器件具有零串扰、长期耐用、响应快、稳定性高和出色的时空动态分辨等特性 （图1）。该触摸定位传感器凭借其独特的多点触摸感知结构和响应特性，有效地将一个或多个动态机械刺激转换为设定命令，可实现多种VA/AR应用，包括自由弹奏钢琴和可编程无人机控制等。基于触摸定位传感器和深度学习算法结合的增强用户验证系统，能够识别、学习与记忆人机交互过程中用户的固有行为特征，为基于触摸特征识别的个性化人物识别提供基础。这项工作不仅展示了推动触摸定位传感器领域突破性发展的新策略，而且提供了一种科学和技术上可行的构建高效、多功能触摸定位传感器的思维方式，这些探索将为VR、AR以及Metaverse的交互应用发展提供基础。相关工作以“An all-in-one multifunctional touch sensor with carbon-based gradient resistance elements”为题发表在微纳技术领域国际顶级期刊《Nano-Micro Letters》上（JCR一区TOP，IF 23.655）。

图1 用于多点交互的一体化触摸定位传感器结构与原理

【直线形触摸定位传感器的钢琴交互应用】

作者们展示了一种线性交互界面，用于自由弹奏钢琴音乐。当没有触摸时，所有的活动触摸按钮都处于断开状态，直线形触摸定位传感器处于待机模式。当手指触摸一个或两个活动触摸按钮时，直线形触摸定位传感器的响应阻值会根据需求快速生成，同时驱动电路的输出电压也会相应改变。随后，利用单片机对信号进行处理和分析。最后将相应的指令传输到计算机发出声音。由于不同的触摸组合可以自由切换，输出的电压会相应地发生变化。直线形触摸定位传感器可以实现多样性的触摸组合，进而可以演奏出更多种类的音乐。

图2直线形触摸定位传感器用于钢琴的和旋演奏

【圆盘形触摸定位传感器用于可编程的无人机交互控制】

一般来说，要控制无人机的9个飞行动作，常见的设备要求将9个分布式传感元件与大量电极集成在一起。但这种方式有可能产生设计空间不足、生产周期长、信号处理复杂等问题。由于制造工艺的可扩展性和设计原理的通用性，作者们设计了圆盘形触摸定位传感器，以用于可编程的无人机控制。圆盘形触摸定位传感器由两个电极、五个梯度电阻元件组成。作为一种概念证明，圆盘形触摸定位传感器可以附着在手背上以控制无人机。当对圆盘形触摸定位传感器的触摸区域进行一点或两点接触时，器件会快速产生响应信号。通过设计，只包含5个活动触摸按钮的圆盘形触摸定位传感器就可以操作无人机的9个飞行动作。需要注意的是，这个器件还可根据需要，开发出更多的触摸组合，进而实现无人机多样化的可编程动作控制。该圆盘形触摸定位传感器的简单结构和功能通用性有效避免了传统器件复杂的互联线路结构，消除了信号传输的干扰。

图3圆盘形触摸定位传感器用于可编程的无人机控制

【基于深度学习的S形触觉定位传感器在个人特性识别中的应用】

在增强用户验证系统中，生物识别技术越来越多地应用于网络安全和计算机用户隐私中。敲击动力学是一种重要的生物识别技术。其主要通过不同的触摸特征来捕捉用户的个人行为数据，包括触摸位置、持续时间和触摸间隔。作者们设计并构建了两个电极、9个梯度电阻元件的S形触摸定位传感器，作于用户识别与验证的智能键盘。基于S形触摸定位传感器，作者们提出了一种人工神经网络辅助的生物识别技术。在实验中，三个用户输入了相同的字符串。由于个人习惯的不同，因此每个用户的按键动态信息是不同的。通过将人工智能与触摸定位传感器相结合，用户访问控制系统能够有效地学习、适应和识别用户按键行为特征信息，并对用户进行识别与认证。

图4人工智能辅助的基于S形触摸传感器的增强用户验证系统

总结：作者们设计了一种只有两个电极的基于梯度电阻元件的触觉定位传感器，并探讨了其在VR系统中的人机交互。该触摸定位传感器采用极简化电极取代了复杂的电极阵列，避免了感知触摸位置时的信号间干扰，极大地降低了多点触摸转换、融合、传输与识别的系统配置要求。触觉定位传感器的机械敏感信号具有高度区域分化，对不同时空动态的单点触摸位置和多点触摸位置都能进行有效识别并作出响应。触摸定位传感器凭借其独特的多点触摸感知结构和响应特性，可以有效地将一个或多个动态触摸转换为设定的指令，实现了多种VR应用。