自供电柔性智能键盘：开启信息安全新时代

为解决信息安全问题，研究人员开发 SFIK，实现高精度身份认证，助力多领域发展。

　　在当今数字化时代，互联网技术飞速发展，人们在享受其带来便利的同时，信息安全问题也日益凸显。就拿我们日常使用的键盘来说，作为信息输入和人机交互的关键工具，它的安全性至关重要。传统的基于密码的身份验证方式，虽然应用广泛，但在不断演变的网络威胁面前，逐渐暴露出诸多局限性。比如，密码容易被窃取、遗忘，而且这种方式只能在登录时进行验证，无法在使用过程中持续确认用户身份。那些利用生物生理特征的识别方法，像面部识别、指纹扫描等，虽然安全性有所提升，却依赖专门的设备，这不仅增加了成本，还限制了其广泛应用。

为了应对这些挑战，研究人员开展了一项关于自供电柔性智能键盘（Self - Powered Flexible Intelligent Keyboard，SFIK）的研究。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。这项研究意义重大，有望为信息安全领域带来新的突破，在人工智能、网络安全、计算机和网络访问控制等诸多领域发挥重要作用。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，制备了基于 Nd₂Fe₁₄B - Ecoflex 的复合材料，通过特定的工艺将磁性粉末与硅胶弹性体结合。其次，利用激光雕刻机等设备制作了可拉伸应变传感器，并对其进行了磁化处理。最后，运用多种设备对材料进行表征和测量，像用扫描电子显微镜（SEM）分析材料微观结构，通过机械拉伸测试和电气表征来评估材料性能等。

下面来详细看看研究结果：

1. 软材料系统中的巨磁弹性效应：研究人员将固体磁性纳米颗粒、粘性硅酮聚合物和微气泡混合，制得的多孔软聚合物展现出显著的磁弹性效应。施加脉冲磁场时，聚合物内的磁性纳米颗粒会重新定向。通过扫描电子显微镜观察发现，磁性纳米颗粒在聚合物基质中分布均匀。此外，研究还发现，改变磁性纳米粉末在聚合物基质中的浓度，可以调控材料的机械模量和磁性强度。在不同压力下，材料的磁通量密度会发生变化，例如在 0 - 1200 kPa 压力范围内，含有 400 wt% 磁性纳米颗粒浓度的复合材料，磁通量密度变化最大，其最大磁耦合系数可达 5.95×10^?6 T/Pa，是 Fe - Co 合金金属的 476 倍。这表明该材料非常适合用于键盘制造。
2. 构建软磁弹性传感器：基于巨磁弹性效应，研究人员构建了柔性压力传感器。该传感器的核心由包裹在铜线圈中的柔性磁体和 Ecoflex 套筒组成。当传感器受到压缩时，磁通量变化会产生电信号，根据法拉第电磁感应定律，可产生感应电动势。研究人员通过实验对传感器的性能进行了评估，发现其在不同压力下的灵敏度不同，在 150 kPa 以下，灵敏度可达 1.46 μV/kPa，在 150 - 550 kPa 的高压范围内，灵敏度有所下降。此外，传感器的响应时间约为 447 ms，恢复时间约为 223 ms，在经过 10000 多次压缩 - 释放循环后，输出电压变化极小，表现出良好的稳定性和耐久性。
3. 磁弹性智能键盘：研究人员将传感器集成到压力传感器阵列中，制作出 SFIK。该键盘兼容标准通用串行总线接口和蓝牙连接，可用于身份认证。通过对固定文本输入进行静态击键分析，SFIK 能识别特定字母和按键。利用机器学习（Machine Learning，ML）技术对击键特征进行分析，对于包含八个字母和数字的固定密码，认证准确率可达 95.3%。研究人员还开发了身份认证系统，通过实验验证了 SFIK 能准确验证用户身份。
4. 个性化击键动力学：为实现持续身份监测，研究人员设计了基于动态文本击键特征的身份认证技术。他们邀请 10 名用户参与数据收集，选取英语中出现频率最高的 10 组双键组合，如 “er”“th” 等，提取相关特征。通过开发动态文本预测投票系统，并结合 ML 技术，研究发现随着文本长度增加和双键类型增多，身份认证的准确率显著提高。当输入包含 14 组双键的文本且涉及 10 种双键类型时，认证准确率可达 100%。

研究结论和讨论部分指出，SFIK 集成了巨磁弹性效应和磁感应，具有高灵敏度、高压下性能稳定、成本低、原材料易获取和自供电等优点。其双模式身份认证系统，通过固定文本和动态文本分析进行身份验证，大大提高了信息安全性和认证准确性。与指纹认证等传统方式相比，SFIK 不仅能在登录时进行辅助认证，还能在键盘使用过程中持续监测用户身份。不过，要将该系统推广应用到实际中，还面临一些挑战，比如在不同设备和用户界面上收集一致且准确的击键数据存在困难，以及在管理敏感击键信息时需要重视用户隐私和安全问题。但总体而言，SFIK 在可穿戴生物电子、人工智能、网络安全和人机交互等领域具有广阔的应用前景，为这些领域的发展提供了新的技术方向。