Никаких электродов: японцы создали сенсорный интерфейс из плёнки и тонера обычного принтера

Учёные Технологического института Сибаура (Shibaura Institute of Technology, Япония) под руководством доктора Хироки Сигемунэ разработали принципиально новый сенсорный интерфейс — из прозрачной ПВХ-плёнки и обычного принтерного тонера. Без каких-либо электродов, датчиков или внешнего источника питания на поверхности интерфейса. Работа опубликована в журнале Nano Energy.

Обычные сенсорные экраны — обманчиво простые на вид устройства. На самом деле под стеклом скрыта сложная матрица проводящих электродов, контроллер, электронные компоненты и источник питания. Всё это требует специализированного производства. Японские учёные предложили подход, в котором вся «умность» поверхности определяется тем, какой узор напечатан на ней обычным лазерным принтером.

Трибоэлектрический принцип

В основе технологии — трибоэлектричество: то самое статическое электричество, которое возникает при трении двух разных материалов. Когда кожа пальца скользит по поверхности ПВХ-плёнки, между ними передаются электроны, создавая измеримый электрический сигнал.

Тонер — электрически непроводящий материал. Когда он напечатан на ПВХ узором, он работает как «геометрическая маска»: закрывает одни участки, оставляя другие открытыми. Когда палец скользит по такой поверхности, он поочерёдно касается то ПВХ (трибоэлектрическая реакция), то тонера (нет реакции). Это создаёт последовательность электрических импульсов — и именно эта последовательность несёт информацию.

«Узор из тонера работает как геометрическая маска, контролирующая, где кожа непосредственно контактирует с ПВХ, тем самым управляя временем и полярностью отклика», — пояснил Сигемунэ.

Изменяя узор, напечатанный на плёнке, исследователи могут программировать, какие жесты или вводы распознаёт интерфейс. Широкие открытые участки — широкий импульс. Частые чередования — много пиков. Другая конфигурация — другой «код».

Что умеет новый интерфейс

В лабораторных тестах система показала впечатляющие результаты:

• направление и скорость скольжения пальца определяются с погрешностью 3,5% и ниже;
• семь различных узорных паттернов классифицированы с точностью 97,1%;
• все 26 букв латинского алфавита распознаны с точностью 89,2%;
• семь участников теста идентифицированы по способу скольжения с точностью 97,1% — у каждого человека давление, скорость и угол контакта создают уникальную «электрическую подпись».

После 1000 циклов скольжения видимого износа тонерной плёнки не обнаружено, а характеристики сигнала не ухудшились.

Для чего это подходит

Принципиальное ограничение: это не замена смартфонного экрана. Обычный экран отслеживает произвольное положение пальца в двух измерениях. Новый интерфейс — ближе к программируемой клавиатуре или полоске управления: он распознаёт конечный набор жестов и вводов, заложенных в напечатанный узор. Чтобы изменить функции интерфейса, достаточно сменить узор и напечатать новый лист.

Это делает технологию особенно привлекательной для:

• встроенных элементов управления в одежде (нашивки, перчатки);
• одноразовых интерфейсов в медицине или пищевой промышленности;
• гибкой носимой электроники;
• простых устройств IoT, где обычный экран избыточен или слишком дорог;
• игровых контроллеров и клавиатур кастомного форм-фактора.

Читайте также: Датчик распознаёт бактерии по электрическому касанию.

Важная оговорка: поверхность сама по себе не требует питания, но электроника для обработки сигнала всё равно нужна. И тесты проводились в контролируемых лабораторных условиях с ограниченным числом участников. Вопросы о долговечности при десятках тысяч циклов, при влажных или загрязнённых пальцах, при перепадах температуры пока остаются открытыми. Тем не менее превратить офисный лазерный принтер в инструмент для изготовления программируемых сенсорных поверхностей — это принципиально новая идея, заслуживающая внимания.