Смарт-клавиатура с автономным питанием

Обычные клавиатуры регистрируют нажатие на клавишу, которое создает механический контакт. Смарт-клавиатура записывает не только каждый символ, которого коснулись, но также фиксирует информацию о количестве силы, приложенной к клавише, и промежутке времени между нажатиями на клавиши. Такой стиль набора символов является уникальным для людей, и поэтому может обеспечить новый биометрический параметр для защиты компьютеров от несанкционированного доступа.

«Это устройство изменяет традиционное представление, в котором клавиатура используется лишь для ввода информации», — сказал Зонг Лин Вэн (Zhong Lin Wang), профессор регентов в Школе материаловедения и инженерии при Технологическом институте Джорджии. «Каждый удар по клавишам создает комплексный электрический сигнал, который может быть записан и проанализирован».

Помимо этого, новая клавиатура также может генерировать достаточно электроэнергии для зарядки небольшого портативного электронного устройства или подпитки передатчика, обеспечивающего возможность использовать эту клавиатуру в качестве беспроводной.

Эффект, известный как контактная электрификация, генерирует ток, когда пальцы пользователя касаются пластикового материала, который покрыт слоем материала с электродами. Напряжение создается благодаря трибоэлектрическим и электростатическим эффектам индукции. При использовании трибоэлектрического эффекта всякий раз когда материалы вступают в контакт, а затем отдаляются, можно получить небольшой заряд.

«Наша кожа является диэлектриком, и в наших пальцах есть электростатические заряды», — отметил Вэн. «Все, чего мы касаемся, может заряжаться».

Вэн считает, что в то время как автономность может обеспечить удобство выгоды и потенциально устранить необходимость в батареях в беспроводных клавиатурах,  основное влияние устройство может оказать на обеспечение безопасности компьютеров. Индивидуальные схемы ввода или привычки можно использовать в качестве биометрического параметра.

«У него есть потенциал стать новым средством идентификации пользователей», — сказал он. «Благодаря этой системе, даже взломанный пароль не позволит кибер-преступнику проникнуть в компьютер. Манера набора символов, даже нескольких слов, у каждого человека индивидуальна и неповторима».

Для оценки потенциала клавиатуры в идентификации, исследовательская группа попросила 104 человек ввести слово «сенсорный» четыре раза и записала созданные электрические структуры.

«Используя методы анализа сигналов, они были способны различать индивидуальные схемы ввода с низким уровнем ошибок», — сказал Вэн.

Вместо отдельных механических клавиш как в традиционных клавиатурах, смарт-клавиатура Вэна состоит из вертикально уложенных прозрачных пленочных материалов. Исследователи сначала помещают слой полиэтилентерефталата между двумя слоями оксида индия и олова (ITO), которые образуют верхние и нижние электроды.

Далее слой фторированного этилен-пропилена (FEP) наносят на поверхность ITO, который служит в качестве слоя электрификации, генерирующего трибоэлектрические заряды при прикосновении кончиков пальцев. На открытой поверхности FEP формируются массивы FEP нанопроводников посредством реактивного ионного травления.

Работа клавиатуры основана на соединении контактной электрификации и электростатической индукции, а не традиционного механического переключения. Когда палец соприкасается с FEP, заряд переносится на контактную поверхность, осуществляя инжекцию электронов с поверхности кожи в материал и создавая положительный заряд.

Когда палец удаляется, отрицательные заряды на стороне FEP индуцируют положительный заряд на верхнем электроде и равное количество отрицательных зарядов на нижнем электроде. Последовательные нажатия клавиш создают периодическое электрическое поле, которое приводит к возникновению возвратно-поступательных потоков электронов между электродами. Хотя заряды со временем рассеиваются, они остаются на поверхности FEP в течение длительного периода времени.

Вэн считает, что новая смарт-клавиатура будет конкурировать с существующими клавиатурами как по стоимости, так и по долговечности. Новое устройство создано из недорогих материалов, которые широко используются в электронной промышленности.

В ходе экспериментов исследовательская группа Вэна проверила работу клавиатуры в сложных условиях, в том числе при применении влаги, грязи и масла.

«Вы можете пролить кофе на клавиатуру, и она не получит никаких повреждений», — сказал Вэн. «Так как она создана из листа пластика, жидкость не повредит ей».

О результатах исследования было сообщено 30 декабря на сайте журнала ACS Nano, спонсором которого является Отдел фундаментальных энергетических наук Департамента США по энергетике.

Перевод статьи: «Self-powered intelligent keyboard could provide a new layer of security»