中科院北京納米能源所王中林院士Materials Today：摩擦納米發電機陣列結合機器學習助力自供能人機交互系統安全

【引言】

在高速發展的信息時代，網絡安全已經成為人們的一大顧慮，這使得人機交互界面需要有一個有效并能持續驗證用戶身份的解決方案。需要至少兩個認證因素的多因素認證機制（Multi-factor?authentication）可以提供比常用的單一認證因素方案（密碼、指紋）高得多的安全級別。多因素認證機制不僅要求輸入正確的密碼，往往還要求額外的信息進行輔助驗證，比如第三方安全令牌或用戶自身的生物特征（指紋、聲紋、虹膜等等）。擊鍵動力學，Keystroke?Dynamics，例如按鍵延遲、按鍵保持時間等，是基于人們的打字屬性的生物行為信息，特別適合為使用實體鍵盤的系統增加額外的安全保護。然而，類似于其他行為生物特征，擊鍵動力學的打字屬性有時會有大的統計上的波動，而如果能從擊鍵行為里提取更多的生物行為信息，如擊鍵力度，將會有利于減少這種波動對于最終驗證結果的影響。然而傳統的鍵盤無法直接獲取用戶的擊鍵力度，需要引入額外的壓力傳感器，使得硬件的成本和復雜性大幅度增加。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長，佐治亞理工學院校董教授王中林院士（通訊作者）課題組研發了一套雙因素驗證、基于壓強增強的擊鍵動力學和摩擦納米發電機陣列的身份驗證和識別系統。此發明里使用的基于摩擦納米發電機的主動感測硬件在系統完整性方面優于基于傳統壓力傳感器的鍵盤，并且在信號質量方面優于之前的摩擦電傳感器件。課題組首先在基于摩擦電的擊鍵裝置里引入了一層新的屏蔽電極用于防止誤觸，有效地將信號與干擾加噪聲比從2db提高到10dB。在不同的按鍵力度下，所發明的擊鍵裝置會產生不同大小的電壓信號，從而使得在沒有傳統壓力傳感器的情況下也能夠體現打字力和手指大小等對電信號的影響，實現壓強增強的擊鍵動力學分析。通過采用支持向量機的監督式機器學習算法對提取出的用戶特征信息進行訓練和識別，可以實現高達98.7%的識別準確率。這是摩擦納米發電機與機器學習技術的第一次深度融合，該系統可以實現對于用戶身份的實時連續監測和識別，具有成本低廉、識別率高、適用性廣等特點，在物聯網、智慧城市、賽博網絡安全、互聯網金融中具有廣泛的應用前景。相關成果以“Keystroke dynamics enabled authentication and identification using triboelectric nanogenerator array”為題發表在Materials Today上。

【圖文導讀】

圖1?基于雙因素的身份驗證與識別系統

（a）系統流程圖

（b）基于摩擦電的擊鍵裝置

（c）制備的數字鍵盤在不同狀態下的照片

圖2?摩擦電鍵盤性能的表征

（a）與不含屏蔽電極的摩擦電擊鍵裝置的電壓輸出對比

（b）基于電容器的分壓裝置以實現與便攜式數據采集裝置的兼容

（c）含有多個擊鍵裝置的系統等效電路圖

（d）依次鍵入“8-3-7-5-0-9-2-4-1-6”所產生的電信號

圖3?包含分類算法的驗證與識別系統流程圖

（a）系統訓練流程

（b）驗證與識別流程

圖4?系統結果展示

（a）系統硬件示意圖

（b）典型的時域特征信息示意圖

（c）不同用戶的擊鍵特征信息對比

（d）使用不同數量的特征信息對系統準確度的影響

【小結】

這套基于摩擦電鍵盤和支持向量機算法的雙因素驗證識別系統有效地實現了壓強增強的擊鍵動力學的應用。相比于常規密碼以及指紋驗證，該系統可以實現對于用戶身份的實時連續監測和識別，具有更高的安全性能。困擾摩擦電器件的信號干擾問題也從硬件層面得到了大幅改善。該成果是摩擦納米發電機領域的又一重大進展，具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Keystroke dynamics enabled authentication and identification using triboelectric nanogenerator array?(Materials Today, 2018, 10.1016/j.mattod.2018.01.006)

【團隊介紹】

?王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎,2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的創刊主編和現任主編。

吳昌盛（第一作者）、丁文伯和劉瑞遠（共同一作）等人為佐治亞理工學院王中林院士（通訊作者）研究組成員。

附：王中林院士個人成果網址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php

王中林院士研究組主頁：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/

【相關論文】

1.Personalized Keystroke Dynamics for Self-Powered Human–Machine Interfacing?(ACS Nano, 2015, DOI: 10.1021/nn506832w)

本文由佐治亞理工學院吳昌盛老師供稿，特此感謝！

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！