随着人工智能系统的发展,人机界面作为人与机器之间信息传递和交换的重要通道受到了人们的广泛关注。先进人机系统的交互过程应该具有自然、多样化的特点,如基于语音识别、动作识别、手势识别、生理信号识别等的人机交互方式。作为感知这些交互信号的重要手段,基于压阻、电容、压电、摩擦起电等工作原理的智能传感器受到了极大地关注。另外,智能机器人、远程医疗、智慧办公、智能家居等交互系统的发展对智能化、自然化和无感化的人机交互方式提出了更多的需求。基于摩擦起电效应的器件由于广泛的材料可选性、高电学输出、低成本、结构多样化等优点,被广泛用于能量采集和自驱动传感,是构建自驱动人机界面的有力候选。本论文基于摩擦起电效应,立足于智能交互系统的实际应用场景,提出基于摩擦电传感器的多模式人机交互界面,针对不同的人机交互方式,设计了力、振动、声学传感器以满足不同应用场景需求。论文主要研究内容要点如下:（1）基于可重构外形和功能设计的可穿戴系统策略,集成织物设计和纺织制备兼容方案,提出基于全织物传感器的人机界面,用于人体运动感知。采用多捻工艺将柔性不锈钢纤维和聚酯纤维捻和制备导电细传感纱线,该传感纱线可便捷编织入商用织物中形成全织物可穿戴传感器,该全织物器件有利于与人体保形接触以更好地感知运动信号;通过有限元仿真分析了摩擦电织物传感器力-电耦合机理,研究了传感纤维编织密度对输出性能的影响;搭建了传感器测试装置并分析传感器在压力和弯曲等条件下的灵敏度、重复性、水洗性等参数;开发了用于虚拟现实和遥控机器人应用的手势捕捉系统,验证了一体化摩擦电织物传感器在人体运动监控和人机交互方面的可行性,为普通织物到智能化可穿戴电子设备的转换提供新思路。（2）从符合人体工程学的角度出发,研究基于摩擦电传感器的便携式智能笔,用于笔迹识别和生物特征识别。在笔壳内正交放置薄膜摩擦电压力传感器阵列,通过方向相关的传感信号识别实现笔移动方向感知,笔顶部设置的摩擦电压力传感器可检测垂直力的大小,以判断书写状态;利用树脂笔芯作为摩擦正极材料,简化摩擦电传感器结构,采用热压工艺在负摩擦材料聚乙烯表面引入纳米线结构增加摩擦层有效接触面积;结合有限元仿真和实验分析优化智能笔力感知和方向感知性能,建立力/方向-电转换模型,定量研究传感器输出与受力大小和移动方向的规律,通过对信号特征的分析,实现英文字母及数字的书写轨迹识别,并通过定制的操作模式实现对幻灯片演示的任意控制;此外,通过鉴别智能笔信号中的手写特征,实现了书写人身份识别,可极大提高人机界面安全性。本工作展示了在任意平面上实现无约束自然交互的应用潜力。（3）通过检测在固体介质中传播的振动波来定位振动源,将物体表面转换为可交互传感区域,提出基于摩擦电振动传感器的人机界面,用于虚拟键盘及智能桌面。仿生鱼侧线的壶腹结构,模仿微小振动压力下壶腹膜挤压内部微绒毛感知外部振动,设计具有半球凹孔和纳米柱多层互锁结构的振动传感器;建立摩擦电振动传感器惯性振动模型,结合有限元仿真和实验表征,揭示传感器从微观到宏观的振动-位移-电转换机理;基于相关分析的到达时间差估计方法,开发面内振动源检测和定位系统;通过感测和定位击键位置,构建基于摩擦电振动传感器的智能虚拟数字键盘和多功能桌面,实现智慧办公和智能家居等交互控制。本工作所提出基于振动传感器的人机界面方案可推广建立在桌子、墙壁、窗户、门等泛在表面,提高了人机界面的交互面积,可广泛应用于便携式计算机外围设备、网络安全和智能家居系统等各种应用中。（4）顺应人机交互直接、自然、无约束的发展方向,提出基于全纳米纤维的摩擦电声学传感器,用于语音识别和智能交互。采用静电纺丝工艺制备的全纳米纤维传感器具有多孔结构及粗糙的表面纹理,使其具备透气性和较大的有效接触面积,有利于长时间穿戴和提高器件性能;使用强正电性聚乙烯亚胺对正电材料丝素蛋白进行阳离子化改性,通过开尔文探针力显微镜和静电计研究了改性丝素蛋白的摩擦带电行为,发现改性丝素蛋白的摩擦电荷密度明显提高;通过有限元仿真和声学测试研究了摩擦电声学传感器的声-电转换机理,并表征了基于改性丝素蛋白的摩擦电传感器的力学和声学性能;采用经皮声信号采集的方案,能有效抵抗环境噪声,一定程度解决了语音识别中的“鸡尾酒会”问题;引入机器学习算法,实现了说话内容和说话人的高准确度识别,并开发了机器人远程语音控制和多人会话语音记录系统。所提出的全纳米纤维静电纺丝摩擦电声学传感器具有高灵敏度、柔韧性、皮肤保形性、透气性、生物相容性和环境友好性,可广泛用于经皮机械声学测量和智能语音交互系统。