舌頭是一種有力量、靈活、耐疲勞、獨特的運動器官，我們平時說話時舌頭可靈活擺動，調節氣流、塑造口腔形狀，從而實現輔音與元音的精準區分，吃飯時咀嚼、攪拌、吞咽三個關鍵環節，舌頭都承擔著不可或缺的任務。然而在舌頭頻繁且靈巧的活動過程中，我們卻很少感覺到疲憊，甚至會忽略舌頭在工作。
上圖 舌頭的靈活性（AI生成）
如此“好用”的一塊肌肉，如果我們對其力量、抗疲勞性、實時反饋和空間運動靈活性加以利用，就可能研發出新型的人機交互界面，解決當前人機交互技術存在的佩戴不適、對噪聲敏感、用戶疲勞和隱私問題。對于身體殘疾或需要高精度控制的用戶而言，新型解放雙手的觸覺傳感設備非常必要。隨著柔性電子與AI算法的深度融合，舌機交互系統有望實現亞毫米級空間分辨率與毫秒級響應速度，進一步拓展其在神經康復、增強現實等領域的應用邊界。
為了拓展現有交互式人機界面（HCI）技術的局性，特別是環境敏感性和用戶疲勞問題，近日中國科學院北京納米能源所李琳琳研究員團隊與王中林院士、蒲雄研究員團隊合作，開發了一種集成式交互式舌-機交互界面（ITCI），該器件一體化集成到3D打印的牙科護具上，用于觸覺感知和人機交互，兼具非侵入性、自供能和環境兼容性等優勢。磁電效應增強的直流摩擦伏特傳感器件陣列，能夠在舌觸發下高效地將機械刺激轉化為高靈敏度和高可靠性的電信號。在機器學習的輔助下，該系統能夠與多種平臺進行交互，包括操控機械臂、輪椅和虛擬游戲，在輔助式人機協作、醫療康復、智能家居控制和極端環境中的通信方面具有廣闊的應用前景。
2026年2月5日，相關工作近日以“A Tongue-Computer Tactile Interface Mediated by the Magnetoelectric-Driven Tribovoltaic Sensors”為題發表在Advanced Materials。北京納米能源與系統研究所李琳琳研究員、蒲雄研究員和王中林院士為該論文的共同通訊作者，北京納米能源與系統研究所博士生趙佳瑞、博士生湯楚玉和碩士生周美華為本論文的共同第一作者。
交互式舌-機界面（ITCI）的設計理念:
靈活、交互式的舌控界面由三個核心組件構成：1）一個1×8觸覺傳感器陣列，利用磁電效應增強的摩擦伏特效應，并采用人體工程學設計以適應舌頭運動，從而實現靜音、抗疲勞的通信；2）一個8通道采集芯片，包括信號處理和無線通信模塊，全部集成在柔性印刷電路板（PCB）上，可將實時傳感信號無線傳輸至上位機和下位機控制驅動器；3）一個數字化設計的3D打印牙套，用于結合傳感器陣列和PCB，確保舒適、操控方便并長期耐用（圖1）。
圖1: 交互式舌-計算機界面（ITCI）的概念設計
磁電效應增強的直流摩擦伏特傳感器（DC-TVSs）的結構與輸出性能:
陣列中每個獨立傳感器都是靈活的、自供電的直流摩擦伏特傳感器（DC-TVSs），該傳感器基于摻雜PEG的p型聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）半導體薄膜與復合了釹鐵硼永磁顆粒的鎵銦液態金屬薄膜（EGaIn@NdFeB）之間的接觸-分離實現力電信號的轉換。為了提高機械穩定性和長期可靠性，他們引入了剪刀腳機械結構，以取代傳統的拱形結構，該結構促進了自回彈的接觸-分離動力學，有效地減少了材料疲勞，并在長期使用中顯著提高了耐用性（圖2）。
圖2: DC-TVSs的結構與輸出性能
DC-TVSs的工作原理:
EGaIn@NdFeB/PEDOT:PSS接觸的電流-電壓（I-V）曲線表現出典型的二極管整流特性，表明界面處存在肖特基勢壘。接觸時，兩層薄膜之間的EF差異驅動了從EGaIn@NdFeB指向PEDOT:PSS的內建電場的產生，導致PEDOT:PSS能帶向下彎曲，建立肖特基勢壘（ΦB）。在接觸-分離過程中，界面處的機械刺激激發了空間電荷區中的非平衡電子-空穴對，進一步被內建電場分離，產生一個電勢差（|qΔV|），驅動外部電路的直流電流。當EGaIn@NdFeB薄膜以180°方向磁化后，EGaIn@NdFeB/PEDOT:PSS界面處的肖特基勢壘高度最低，從而促進了界面間更高效的載流子傳輸，電荷轉移效率、電流輸出和響應速度。當用BaFe12O19代替NdFeB顆粒時，得到了類似的效果，驗證了磁電效應增強的摩擦伏特效應的普遍性。
圖3: DC-TVSs的工作機理和磁電效應增強機制。
ITCI的交互式應用：
ITCI能夠實現精確、節能、hands-free的操作，使用戶能夠控制包括智能輪椅、機械臂和沉浸式游戲系統在內的多種平臺。該接口解決了傳統人機交互電子設備的關鍵局限，包括環境噪聲敏感、能源效率低和用戶易疲勞，使其特別適用于極端條件和專業應用，如隱秘行動、應急響應、航空航天環境。同樣，ITCI也為運動障礙人士提供了一種變革性的輔助技術，有助于提高獨立生活能力和生活質量。
圖4: ITCI用于機械手、機械臂、輪椅等健康輔助設備控制
圖5: 機器學習輔助五子棋游戲的信號識別與控制
總之，本研究開發了一種創新的交互式舌-機觸覺接口，通過微妙的舌部運動增強了hands-free式人機交互。該系統采用高敏感的直流摩擦伏特傳感器陣列，利用磁電增強的摩擦伏特效應，實現了718 mC m-2的電荷轉移密度和90 μA N-1的靈敏度。展望未來，ITCI的迭代版本可能會專注于增強功能性和用戶定制化，包括更輕薄的設計、類觸摸屏界面的集成，以及根據用戶需求定制的模塊化命令映射。這些創新不僅會提高用戶參與度，還會為日常任務和數字體驗提供更沉浸式、更高效的界面。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202522639
Jiarui Zhao,# Chuyu Tang,# Meihua Zhou,# Dehai Yu, Minhai Chen, Shaobo Wang, Quanhong Hu, Zhuoheng Jiang, Zhong Lin Wang,* Xiong Pu,* Linlin Li*. A Tongue-Computer Tactile Interface Mediated by the Magnetoelectric-Driven Tribovoltaic Sensors. Adv. Mater. 2026 DOI: 10.1002/adma.202522639
李琳琳課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin
