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在童话故事《木偶奇遇记》中，匹诺曹这个木偶通过勇气和善行变成了一个有感知、有灵魂的真实孩子，象征着静态木制品被赋予生命，实现与人深度互动的奇迹。同样，在现实生活中，我们经常与木制品进行直接接触，如在桌面上办公、坐在椅子上休息以及在地板上行走。如果这些木制品能够智能化，获得新生命，就能创造出更加亲密和有趣的人-木交互体验。
正是基于这样的构想，中国科学技术大学苏州高等研究院的潘挺睿团队将这一理念转化为现实。他们基于离电传感原理开发了一种智能离电木材（iWood）器件，能够将触觉感知能力融合到传统木制品中，捕捉并记录人与木制品的互动信息，为木制品注入了全新的生命力。例如，iWood智能家居系统涵盖了智能桌面、椅子和地板，可实现高级的人-木交互和健康监测功能。
其中，iWood桌面可以实现精确的手势控制和物体识别，能够根据手势接触力的不同来调整字母的大小写或颜色，甚至自动区分和识别不同物体的接触图像，例如识别出底部呈方形接触的茶饮料容器和底部呈三角形接触的塑料酸奶包装。iWood椅子可以通过高动态触觉跟踪技术采集人体BCG信号，用于心血管健康监测，其精确度与临床金标准方法相匹配。iWood地板则能够捕捉人体的静态和动态活动，如站立、行走或跳跃时的重量测量和足底压力分布，支持体重管理以及骨科疾病的诊断和治疗评估。潘挺睿团队的最新研究成果为现代家居生活提供了一种全新的维度，让传统的木制品与我们的生活更加紧密地连接起来，为我们带来了前所未有的智能和便捷。相关成果近日以“iWood: An Intelligent Iontronic Device for Human-Wood Interactions”为题发表于Advanced Functional Materials。
图1 a) 使用iWood器件的人与木材互动示意图。b) 使用编织工艺制备的可扩展iWood器件的照片。c) 简单交织iWood器件的制备图。d)覆盖交织iWood器件的制备图。
图2 a)简单交织iWood器件和b)覆盖交织iWood器件的传感结构和等效电路。c) 木材表面具有高微观粗糙度的截面SEM图像。d) 压力作用下木材离电界面处接触面积的变化。
图3 a) 离子木材的化学组成示意图。b-d) 天然木材、离子液体和离子木材的红外光谱图。e) 木材中的天然聚合物与[EMIM][TFSI]在离子化改性过程中的化学反应机理。f) 改性木材在不同乙醇/离子液体比例的离子液体溶液中的质量变化。g) 天然木材和离子木材微观结构的SEM图像。
图4 a) 驱动信号频率与使用不同乙醇/离子液体比的改性离子木材UAC之间的关系。b) 使用离子液体、固体无机盐和聚电解质改性木材的UACs对比。c）使用不同乙醇/离子液体比例改性的离子木材的应力-应变曲线。d）天然木材的质量损失与脱木质素时间的关系。e) 脱木质素时间对木材外观形貌的影响。f） 不同脱木质素时间的离子木材的应力-应变曲线。g) 不同脱木质素时间的离子木材的UACs。h) 外部压力高达500 kPa下离子木材的质量变化。
图5 a-b) 不同压力范围内，使用优化的脱木质素离子木材和优化的离子木材的iWood器件的电容-压力响应。c) iWood器件的检测分辨率。d) iWood器件的响应和恢复时间。e) iWood器件的稳定性测试。f) 简单交织和覆盖交织iWood器件的电容-压力响应比较。g) 简单交织和覆盖交织iWood器件的初始电容比较。h) 初始电容与制备编织结构的木条宽度的关系。
图6 a) iWood办公桌的照片，展示覆盖交织器件结构，以及b) 单点触摸、多点触摸、滑动和书写后的压力映射结果图像。c) 放置在iWood办公桌上的不同物体的照片以及d) 它们接触压力分布的相应特征图像。e) iWood椅子的照片，展示简单交织器件结构。f) 从坐着的志愿者收集到的原始BCG信号、表示心跳的带通滤波信号，以及表示呼吸波的低通滤波信号。g) 采集到的BCG信号与通过医疗级系统获得的ECG信号的同时比较。
图7 a) 志愿者站在iWood地板上的照片，以及b)睁眼和闭眼时的足底压力分布图像，插图是相关COP轨迹的部分放大图像。c) 不同志愿者重复踩在iWood地板上的体重测量。d) 单步行走在iWood地板上的照片，e)足底压力分布的连续变化图像，COP的轨迹以及f)单步行走时相应的足底力曲线。g) 在iWood地板上跳跃的照片。h)不同运动阶段足底压力分布的连续变化图像，以及i) 跳跃运动中相应的足底力曲线。
中科院深圳先进技术研究院硕士生李斌、葛瑞清以及中国科学技术大学苏州高等研究院博士生杜文文为文章的共同第一作者，中国科学技术大学苏州高等研究院潘挺睿教授和常煜研究员为共同通讯。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、海外华人学者及港澳学者联合研究基金、深圳市自然科学基金和苏州市创新创业领军项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202314190
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