Сенсорные экраны кажутся предельно простой технологией: прикоснулся пальцем к поверхности — устройство отреагировало. Но за привычным жестом скрывается довольно сложная электроника: сенсорные матрицы, проводники, электроды, контроллеры и источник питания.
Исследователи из Технологического института Сибаура (Shibaura Institute of Technology, SIT) в Японии предложили радикально упростить конструкцию. Их сенсорный интерфейс состоит всего из листа прозрачного ПВХ и рисунка, нанесенного обычным тонером с помощью лазерного принтера. При этом такая примитивная на вид система способна распознавать направление и скорость движения пальца, различные узоры и даже отдельных пользователей.
Как работает сенсор из пластика и тонера
В основе технологии лежит трибоэлектрический эффект — то самое явление, которое мы ощущаем, когда после ходьбы по ковру получаем небольшой разряд статического электричества.
Когда два материала соприкасаются, а затем разделяются, между ними может происходить перенос электронов. В результате поверхности приобретают электрический заряд. Исследователи использовали этот эффект, чтобы превратить прикосновение человеческого пальца к ПВХ в электрический сигнал.
Сначала на прозрачный лист ПВХ с помощью обычного лазерного принтера наносят тонер, формируя определенный геометрический рисунок. Тонер при этом выполняет роль электрического изолятора: там, где он напечатан, палец не контактирует непосредственно с пластиком. На открытых участках такой контакт возможен.
Когда человек проводит пальцем по поверхности, последовательность закрытых и открытых областей постоянно меняется. Это порождает серию электрических импульсов — своеобразный «штрих-код» движения пальца.
Причем рисунок можно буквально запрограммировать на этапе печати. Изменив ширину открытых участков, расстояния между ними или их количество, исследователи меняют форму и последовательность возникающих импульсов. По словам руководителя проекта Хироки Сигэмунэ (Hiroki Shigemune), рисунок тонера фактически работает как геометрическая маска, которая определяет момент возникновения и полярность электрического сигнала.
Что умеет такой интерфейс
Несмотря на чрезвычайно простую конструкцию, экспериментальная система оказалась способна распознавать довольно сложные команды.
Она определяла направление движения пальца и его скорость с погрешностью не более 3,5%. Исследователи также продемонстрировали возможность кодировать цифровые данные: например, последовательность, соответствующую двоичному числу 1010, система распознавала как десятичное число 10.
Затем ученые подключили машинное обучение. Алгоритм анализировал форму электрических сигналов и классифицировал семь различных напечатанных узоров с точностью 97,1%.
Еще интереснее результат с буквами: система смогла распознавать все 26 букв английского алфавита с точностью 89,2%.
Наконец, исследователи проверили, можно ли определить, кто именно пользуется интерфейсом. В эксперименте участвовали семь человек, и система правильно идентифицировала пользователя в 97,1% случаев. Оказалось, что давление пальца, скорость движения, угол контакта и стабильность касания формируют характерную электрическую сигнатуру каждого человека.
Почему технология может оказаться полезной
Главное преимущество такого подхода — простота производства. Для изготовления сенсорной поверхности не нужны массивы электродов, сложная разводка проводников или специализированное оборудование. Достаточно ПВХ, тонера и обычного лазерного принтера.
Фактически принтер превращается в инструмент изготовления интерфейсов.
Еще одна интересная особенность — программируемость. Производителю не обязательно менять конструкцию электронной схемы, если требуется изменить набор команд. Можно просто создать новый рисунок и распечатать его. Иными словами, функция интерфейса определяется не столько аппаратной конструкцией, сколько тем, что именно напечатано на пластике.
Такой подход особенно интересен для устройств, где обычный сенсорный экран избыточен или слишком дорог. Среди потенциальных областей применения исследователи называют носимую электронику, элементы управления в одежде, простые устройства Интернета вещей, клавиатуры, игровые контроллеры и даже одноразовые интерфейсы.
Представьте, например, панель управления, которую можно изготовить практически так же просто, как обычную распечатку. Нужна другая функция — достаточно заменить файл с рисунком и сделать новую печать.
Это не замена экрану смартфона
У технологии, однако, есть принципиальное ограничение. Новый сенсор нельзя считать полноценной альтернативой современному тачскрину.
Экран смартфона способен определить практически любую точку прикосновения на двумерной поверхности. Здесь же возможности заранее задаются напечатанным рисунком. По сути, система ближе к программируемой сенсорной панели или игровому контроллеру с ограниченным набором жестов.
Один участок может означать команду «следующий», другой — определенную цифру, третий — букву. Если понадобится совершенно другой набор действий, придется напечатать новый рисунок.
Кроме того, хотя сама ПВХ-поверхность не нуждается во встроенной сети электродов и собственном источнике питания, электронная система для регистрации, обработки и интерпретации сигналов все равно необходима.
Насколько долговечна напечатанная сенсорная панель
Первые испытания показали неплохую устойчивость. После 1000 движений пальцем исследователи не обнаружили заметного износа слоя тонера, а характеристики генерируемых сигналов практически не изменились.
Но этого пока недостаточно, чтобы судить о долговечности технологии в реальных условиях. Эксперименты проводились в лаборатории, а повседневное использование означает гораздо более разнообразные нагрузки. Остается выяснить, как поверхность будет работать после десятков тысяч касаний, при влажных или загрязненных пальцах, а также при изменениях температуры и влажности.
Есть и другая проблема: эксперименты по распознаванию пользователей проводились всего с семью участниками. Поэтому заявленные показатели пока следует воспринимать именно как результаты раннего лабораторного исследования, а не как гарантированные характеристики готового устройства.
Идея японских исследователей интересна прежде всего тем, насколько сильно она сокращает сложность производства сенсорного интерфейса. Вместо специальной сенсорной матрицы получается лист пластика с напечатанным рисунком, а обычный лазерный принтер превращается в своеобразный станок для изготовления пользовательских интерфейсов.
До универсального «печатного тачскрина» еще далеко. Но для специализированных органов управления такая технология может оказаться весьма полезной — особенно там, где важны низкая стоимость, гибкость конструкции и возможность быстро менять функциональность.
Исследование опубликовано в журнале Nano Energy.
