舌头是一种有力量、灵活、耐疲劳、独特的运动器官，我们平时说话时舌头可灵活摆动，调节气流、塑造口腔形状，从而实现辅音与元音的精准区分，吃饭时咀嚼、搅拌、吞咽三个关键环节，舌头都承担着不可或缺的任务。然而在舌头频繁且灵巧的活动过程中，我们却很少感觉到疲惫，甚至会忽略舌头在工作。
上图 舌头的灵活性（AI生成）
如此“好用”的一块肌肉，如果我们对其力量、抗疲劳性、实时反馈和空间运动灵活性加以利用，就可能研发出新型的人机交互界面，解决当前人机交互技术存在的佩戴不适、对噪声敏感、用户疲劳和隐私问题。对于身体残疾或需要高精度控制的用户而言，新型解放双手的触觉传感设备非常必要。随着柔性电子与AI算法的深度融合，舌机交互系统有望实现亚毫米级空间分辨率与毫秒级响应速度，进一步拓展其在神经康复、增强现实等领域的应用边界。
为了拓展现有交互式人机界面（HCI）技术的局性，特别是环境敏感性和用户疲劳问题，近日中国科学院北京纳米能源所李琳琳研究员团队与王中林院士、蒲雄研究员团队合作，开发了一种集成式交互式舌-机交互界面（ITCI），该器件一体化集成到3D打印的牙科护具上，用于触觉感知和人机交互，兼具非侵入性、自供能和环境兼容性等优势。磁电效应增强的直流摩擦伏特传感器件阵列，能够在舌触发下高效地将机械刺激转化为高灵敏度和高可靠性的电信号。在机器学习的辅助下，该系统能够与多种平台进行交互，包括操控机械臂、轮椅和虚拟游戏，在辅助式人机协作、医疗康复、智能家居控制和极端环境中的通信方面具有广阔的应用前景。
2026年2月5日，相关工作近日以“A Tongue-Computer Tactile Interface Mediated by the Magnetoelectric-Driven Tribovoltaic Sensors”为题发表在Advanced Materials。北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员、蒲雄研究员和王中林院士为该论文的共同通讯作者，北京纳米能源与系统研究所博士生赵佳瑞、博士生汤楚玉和硕士生周美华为本论文的共同第一作者。
交互式舌-机界面（ITCI）的设计理念:
灵活、交互式的舌控界面由三个核心组件构成：1）一个1×8触觉传感器阵列，利用磁电效应增强的摩擦伏特效应，并采用人体工程学设计以适应舌头运动，从而实现静音、抗疲劳的通信；2）一个8通道采集芯片，包括信号处理和无线通信模块，全部集成在柔性印刷电路板（PCB）上，可将实时传感信号无线传输至上位机和下位机控制驱动器；3）一个数字化设计的3D打印牙套，用于结合传感器阵列和PCB，确保舒适、操控方便并长期耐用（图1）。
图1: 交互式舌-计算机界面（ITCI）的概念设计
磁电效应增强的直流摩擦伏特传感器（DC-TVSs）的结构与输出性能:
阵列中每个独立传感器都是灵活的、自供电的直流摩擦伏特传感器（DC-TVSs），该传感器基于掺杂PEG的p型聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）半导体薄膜与复合了钕铁硼永磁颗粒的镓铟液态金属薄膜（EGaIn@NdFeB）之间的接触-分离实现力电信号的转换。为了提高机械稳定性和长期可靠性，他们引入了剪刀脚机械结构，以取代传统的拱形结构，该结构促进了自回弹的接触-分离动力学，有效地减少了材料疲劳，并在长期使用中显著提高了耐用性（图2）。
图2: DC-TVSs的结构与输出性能
DC-TVSs的工作原理:
EGaIn@NdFeB/PEDOT:PSS接触的电流-电压（I-V）曲线表现出典型的二极管整流特性，表明界面处存在肖特基势垒。接触时，两层薄膜之间的EF差异驱动了从EGaIn@NdFeB指向PEDOT:PSS的内建电场的产生，导致PEDOT:PSS能带向下弯曲，建立肖特基势垒（ΦB）。在接触-分离过程中，界面处的机械刺激激发了空间电荷区中的非平衡电子-空穴对，进一步被内建电场分离，产生一个电势差（|qΔV|），驱动外部电路的直流电流。当EGaIn@NdFeB薄膜以180°方向磁化后，EGaIn@NdFeB/PEDOT:PSS界面处的肖特基势垒高度最低，从而促进了界面间更高效的载流子传输，电荷转移效率、电流输出和响应速度。当用BaFe12O19代替NdFeB颗粒时，得到了类似的效果，验证了磁电效应增强的摩擦伏特效应的普遍性。
图3: DC-TVSs的工作机理和磁电效应增强机制。
ITCI的交互式应用：
ITCI能够实现精确、节能、hands-free的操作，使用户能够控制包括智能轮椅、机械臂和沉浸式游戏系统在内的多种平台。该接口解决了传统人机交互电子设备的关键局限，包括环境噪声敏感、能源效率低和用户易疲劳，使其特别适用于极端条件和专业应用，如隐秘行动、应急响应、航空航天环境。同样，ITCI也为运动障碍人士提供了一种变革性的辅助技术，有助于提高独立生活能力和生活质量。
图4: ITCI用于机械手、机械臂、轮椅等健康辅助设备控制
图5: 机器学习辅助五子棋游戏的信号识别与控制
总之，本研究开发了一种创新的交互式舌-机触觉接口，通过微妙的舌部运动增强了hands-free式人机交互。该系统采用高敏感的直流摩擦伏特传感器阵列，利用磁电增强的摩擦伏特效应，实现了718 mC m-2的电荷转移密度和90 μA N-1的灵敏度。展望未来，ITCI的迭代版本可能会专注于增强功能性和用户定制化，包括更轻薄的设计、类触摸屏界面的集成，以及根据用户需求定制的模块化命令映射。这些创新不仅会提高用户参与度，还会为日常任务和数字体验提供更沉浸式、更高效的界面。
原文链接：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
李琳琳课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin
