王晨緋

面對(duì)一疊文件需要簽名，相信誰都會(huì)崩潰，而電子簽名的推行將大大提高工作效率。近日，在中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員王中林、潘曹峰及訪問學(xué)者董林教授的指導(dǎo)下，王賢迪、張寒露及于若蒙博士等人研制出了利用壓電光子學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力成像的高分辨率、響應(yīng)快的電子簽名功能器件。

電子簽名好處多

電子簽名由于能通過網(wǎng)絡(luò)輕松便捷地提供身份驗(yàn)證和系統(tǒng)記錄，突破了時(shí)間和空間上的局限性，因此被廣泛應(yīng)用于通信、電子商務(wù)、電子政務(wù)和信息安全等領(lǐng)域。其中，手寫簽名更因其使用便捷，被廣大用戶所熱衷，在數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化等獨(dú)特的領(lǐng)域有著不可替代的作用。然而傳統(tǒng)的手寫電子簽名系統(tǒng)大多基于電學(xué)信號(hào)，響應(yīng)和傳輸時(shí)間受限制，且難以充分記錄書寫過程中的力量、速度等動(dòng)態(tài)個(gè)人書寫特征。

據(jù)王中林介紹，在他們的這項(xiàng)研究中，科研人員基于硫化鋅和金屬錳的壓電光子學(xué)效應(yīng)，將應(yīng)力信息轉(zhuǎn)換為可實(shí)現(xiàn)同步采集的光信號(hào)，提高了應(yīng)力成像的響應(yīng)和傳輸效率?！按舜纬晒χ苽涞脑推骷梢赃_(dá)到100微米級(jí)別的空間分辨率，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到10微秒以下的量級(jí)?！蓖踔辛指嬖V記者。

除了更高的效率，由于這個(gè)系統(tǒng)在書寫壓力作用下的發(fā)光強(qiáng)度與所受壓力有較好的線性相關(guān)，而且靈敏度可調(diào)，將可以提供所施加的動(dòng)態(tài)壓力、書寫速度等個(gè)人特征的詳細(xì)記錄，這大大豐富了手寫簽名的個(gè)人身份識(shí)別特征。

“這些特征使其他人更難偽造、復(fù)制這種攜帶多種個(gè)體識(shí)別特征的簽名，進(jìn)而提高了手寫簽名的安全性?！蓖踔辛终f。

給力的壓電效應(yīng)

而這僅僅是王中林開創(chuàng)的壓電電子學(xué)的一部分成果。

什么是壓電？王中林介紹說，壓電效應(yīng)是指特定晶體材料在應(yīng)力作用下變形時(shí)所產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象，即一種機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電材料發(fā)生壓電效應(yīng)的原因，是因?yàn)槠鋬?nèi)部原子的特殊排列方式，使得材料有了應(yīng)力場(chǎng)和電場(chǎng)耦合的效應(yīng)。壓電效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于微機(jī)械傳感、器件驅(qū)動(dòng)和能源領(lǐng)域。而王中林團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于把壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體效應(yīng)結(jié)合起來，從而形成了一個(gè)新的研究領(lǐng)域—壓電電子學(xué)。

2007年，基于納米級(jí)壓電和半導(dǎo)體性能的巧妙耦合，王中林首次提出了壓電電子學(xué)的概念，即利用壓電勢(shì)能來調(diào)制和控制半導(dǎo)體中的電流。與此同時(shí)，他們制備出第一個(gè)壓電三極管和壓電二極管，《自然—納米技術(shù)》將之稱為壓電電子效應(yīng)。

2007年和2010年，王中林首次在國(guó)際上提出壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)效應(yīng)這兩個(gè)全新的研究領(lǐng)域，即刻受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前這些研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微機(jī)械傳感、器件驅(qū)動(dòng)和能源領(lǐng)域。

應(yīng)用前景廣闊

王中林告訴記者，由于人的皮膚感知分辨率小于50微米，屬于高分辨率觸覺。用電信號(hào)或光電信號(hào)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率觸覺的模擬將對(duì)新型機(jī)器人、人機(jī)互動(dòng)界面等領(lǐng)域有著重大的意義。

相比于視覺、聽覺、嗅覺、味覺等其他感知器官的研究，觸覺的仿生研究目前還很少?，F(xiàn)有的壓力傳感技術(shù)多是基于納米材料的平面型場(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)，如自組裝的納米線、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管等。但是此類研究的分辨率多為毫米或厘米量級(jí)，而且相關(guān)器件的像素大小、像素點(diǎn)少，測(cè)量方式受到非常復(fù)雜的交叉電極的限制；數(shù)據(jù)采集也需要通過硬件開關(guān)和軟件開關(guān)逐個(gè)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行“串行”掃描，耗時(shí)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨的應(yīng)力分布快速成像。

自2010年起，王中林課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓電二極管受外界應(yīng)力時(shí)，壓電光電子學(xué)效應(yīng)可以使其發(fā)光強(qiáng)度增加數(shù)倍，相關(guān)論文發(fā)表在2012年及2013年的《納米快報(bào)》上。

而此次的成果則更具突破性。它首次奠定了壓電光電子學(xué)效應(yīng)及其在大規(guī)模傳感成像中的應(yīng)用；首次在高于人皮膚分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)了大尺度應(yīng)力應(yīng)變成像及記錄。使得這項(xiàng)研究的應(yīng)用范圍涵蓋生物醫(yī)療、人工智能、人機(jī)交互、能源和通信等領(lǐng)域；通過封裝和填充材料還可起到增強(qiáng)器件機(jī)械強(qiáng)度和延長(zhǎng)器件工作壽命的作用。此外，這項(xiàng)技術(shù)在未來還可以被進(jìn)一步發(fā)展成為多維度壓力傳感、智能自適應(yīng)觸摸成像和自驅(qū)動(dòng)傳感等，以實(shí)現(xiàn)壓電電子學(xué)器件在傳感、自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)互動(dòng)等方面的廣泛應(yīng)用。

“也許在不久的將來，手寫簽名將會(huì)成為歷史退出實(shí)際運(yùn)用的舞臺(tái)，只有在展示個(gè)人收藏或私人信件中才會(huì)看到手寫簽名的身影了。”

（本文轉(zhuǎn)自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》）