Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы

Н А У Ч Н А Я  М Ы С Л Ь

С. Ю. ИЛЬИН
В.В. ЛУЧИНИН

БИОИНТЕРФЕЙС

КОНФОРМНЫЕ

IOP-ИНТЕРФЕЙСЫ

МОНОГРАФИЯ

Москва

ИНФРА-М

2023

УДК 621.31(075.4)
ББК 31.2

И46

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

А в т о р ы:
Ильин С.Ю., кандидат технических наук, научный сотрудник Санкт-
Петербургского 
государственного 
электротехнического 

университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина);
Лучинин В.В. (1950–2023), доктор технических наук, профессор, 
главный 
научный 
сотрудник 
Санкт-Петербургского 

государственного 
электротехнического 
университета 
«ЛЭТИ» 

имени В.И. Ульянова (Ленина)

Ильин С.Ю.

И46

Биоинтерфейс. Конформные IOP-интерфейсы : монография /

С.Ю. Ильин, В.В. Лучинин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. —
278 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-111676-0 (online)

В 
монографии 
рассмотрены 
современное 
состояние 

и перспективы развития высокотехнологичных конформных IoP-
интерфейсов, управляющих IoT-системами и HMI-устройствами. 
Системно представлены современные решения биометрических 
и тактильных 
IoP-интерфейсов. 
Рассмотрен 
широкий 
круг 

инновационных сенсорных, энергетических и визуализующих 
устройств наноэлектроники, которые могут быть использованы как 
имплантируемые, эпидермальные или носимые элементы в составе 
конформных 
IoP-интерфейсов. 
Представлены 
перспективные 

разработки и промышленно выпускаемые многофункциональные 
IoP-интерфейсы.

Предназначена 
для 
инженеров, 
научных 
работников 

и преподавателей, 
специализирующихся 
в 
области 
гибкой 

электроники и конформной наносенсорики, а также для студентов 
соответствующих специализаций.

УДК 621.31(075.4)

ББК 31.2

ISBN 978-5-16-111676-0 (online) 
© Ильин С.Ю., 
Лучинин В.В., 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................................8

Глава 1. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ......................................11

1.1. Диагностические IoP-интерфейсы ......................................................................................11
1.2. Распознающие IoP-интерфейсы ...........................................................................................34

Глава 2. ТАКТИЛЬНЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ...................................................57

2.1. Управляющие IoP-интерфейсы ............................................................................................57
2.2. Тактильные HMI........................................................................................................................78

Глава 3. ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ............................96

3.1. Аккумулирующие IoP-интерфейсы ....................................................................................96
3.2. Генерирующие IoP-интерфейсы ....................................................................................... 127

Глава 4. ВИЗУАЛИЗУЮЩИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ .................................... 142

Глава 5. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ .............. 164

5.1. Многофункциональные биометрические IoP-интерфейсы .................................... 164
5.2. Многофункциональные тактильные IoP-интерфейсы ............................................. 183

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 201

Приложения. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНФОРМНОЙ
НАНОЭНЕРГЕТИКИ И КОНФОРМНОЙ НАНОСЕНСОРИКИ ......... 211

1. Генерирующие наноэнергетические устройства ................................................................ 211
2. Аккумулирующие наноэнергетические устройства ......................................................... 232
3. Наносенсоры ................................................................................................................................... 237

ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
И ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ .................................................................... 242

СОКРАЩЕНИЯ ............................................................................................................. 244

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 254

В современном мире все более актуальны тенденции к сохранению
и генерации «человеческого капитала», повышению качества жизни.
Развитие этих тенденций невозможно вне рамок создания персонифицированной 
биотехносферы индивида, важнейшую роль в которой
играют биоинтерфейсы. Как отражение этих процессов сформировалось 
понятие «Интернет людей» (Internet of People – IoP). Оно отражает
виртуальную деятельность человека в инфокоммуникационном пространстве 
по управлению объектами окружающего мира с использованием 
биометрических данных и биофункциональных показателей для
обеспечения персонализированной среды жизнедеятельности.
Человек как объект Интернета людей обладает собственными
биологическими идентификационными признаками, ярко выраженными 
когнитивными функциями, развитой мультисенсорикой и автономным 
энергосбережением (см. таблицу).

Современные направления развития технологий Интернета людей

Направление
Целевая ориентация

Биометрическая
идентификация

Идентификация личности  
и позиционирование индивида

Биомедицинская сенсорика
Контроль физиологических параметров

Биокогнитивное управление
Трансдермальная лекарственная терапия  
и нефармакологическая коррекция состояния

Биокогнитивное управление
Нейробиокогнитивный информационный  
и сенсорно-моторный интерфейсы

Бионическое замещение
Биомиметика, искусственные органы,  
биотехноинтерфейсы

Биоинформационная  
коммуникабельность

Персонализированные сетевые информационные 
системы, кибербезопасность

Биоэнергообеспечение
Автономные биоэнергорекуперирующие системы

Особенности перехода от Интернета вещей IoP к Интернету людей 
нового поколения можно сформулировать следующим образом:
• биометрическая идентификация личности (биологический
адрес);
• контроль местоположения биообъекта и динамики его перемещения;
• 
анализ поведения и активности индивида;

ПРЕДИСЛОВИЕ

• мониторинг биомедицинских параметров;
• активные фармакологическое и нефармакологическое воздействия 
на человека на основании удаленного анализа его биоданных;
• нейрокогнитивное управление интегрированными в одежду или 
размещаемыми на теле человека искусственными системами для мониторинга 
физиологического состояния, биомедицинской диагностики, 
неинвазивной и инвазивной терапии и биозамещения;
• дистанционное управление окружающими и удаленными объектами 
посредством киберфизического интерфейса, обеспечивающего 
преобразование и передачу регистрируемых данных индивида 
в виде движений и жестов, мыслей и эмоций;
• дистанционное формирование (без непосредственного участия 
человека) управляющих воздействий на окружающие объекты на основании 
виртуальных процедур анализа биоданных и мониторинга 
среды обитания.
Базовые направления Интернета людей определяются совокупностью 
следующих конструкторско-технологических решений:
• умная одежда – пассивный субстрат с размещенными функциональными 
сенсорными, процессорными, энергообеспечивающими и 
инфокоммуникационными модулями;
• интеллектуальный текстиль – активный гетерогенный субстрат, 
являющийся носителем интегрируемых функциональных свойств;
• искусственная электронная и фотонная кожа – эпидермальные 
и трансэпидермальные мультифункциональные гибридные сенсорно-
корректирующие интерактивные платформы;
• биоинтегрируемые импланты – идентификаторы, стимуляторы, 
корректоры состояния, искусственные органы.
Совокупностью этих конструкторско-технологических решений 
определяются предметные индустриальные направления конформ-
ной1 наноэлектроники для Интернета людей, среди которых следует 
особо выделить следующие:
• мультифункциональные сенсорно-исполнительные компоненты, 
интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека 
для биомониторинга и коррекции состояния организма;
• микроаналитические диагностические системы типа «лаборатории-
на-чипе» для биомедицинского экспресс-контроля;

1 Конформность – приспосабливаемость к окружающим условиям и объектам.

• сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, 
конформно интегрируемые в одежду или размещаемые на теле
человека для его быстрой идентификации, высокоточного позиционирования 
и передачи информации через персонифицированные носимые 
электронные средства или сторонние локальные терминалы;
• биосенсорные модули (в том числе – камуфлируемые) для расширения 
функциональных возможностей человека, компенсации
утраченных функций и когнитивного управления;
• исполнительные миниатюрные конформно интегрируемые модули 
для бионических систем органозамещения.
Сказанное выше определило тот факт, что в трилогии под общим
названием «Биоинтерфейс – взгляд в будущее» рассматривается широкий 
круг инновационных устройств конформной наноэлектроники,
которые могут эффективно использоваться в разнообразных системах
Интернета людей.
Книги, составляющие трилогию, написаны авторами в период
2016–2021 гг. Они задумывались как самостоятельные издания, рассматривающие 
современное состояние, а также перспективы развития
и применения решений и устройств из отдельных областей конформной 
наноэлектроники. В указанный период времени были выпущены
пилотные экземпляры каждой книги. Сформировавшееся к настоящему 
времени понимание природы и сущности биоинтерфейса позволило 
авторам объединить отдельно взятые книги в трилогию.
В первой книге – «Биоинтерфейс. Конформная наноэнерге-
тика» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития
и инновационные решения конформных устройств генерации электроэнергии (
солнечные элементы, пьезонаногенераторы, трибонано-
генераторы, термогенераторы, ректенны) и конформных устройств
хранения электроэнергии (литий-ионные аккумуляторы и суперкон-
денсаторы), а также гибридных энергетических устройств на их основе, 
которые можно использовать как элементы имплантируемых,
эпидермальных или носимых IoP-систем.
Во второй книге – «Биоинтерфейс. Конформная наносенсо-
рика»  – рассмотрены современное состояние, перспективы развития 
и инновационные решения конформных физических нано-
сенсоров биопараметров (сенсоры давления, сенсоры деформации,
сенсоры температуры, сенсоры влажности), а также мультисенсорных

платформ на их основе, которые можно использовать как элементы
имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем.
В третьей книге – «Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы» –
рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные 
решения конформных биометрических и тактильных
IoP-интерфейсов, которые можно использовать как элементы имплантируемых, 
эпидермальных или носимых IoP-систем.
Каждая книга в отдельности и трилогия в целом иллюстрируют 
тот факт, что носимые, эпидермальные и имплантируемые IoP-
системы конформной наноэлектроники составляют базис биоин-
терфейса, определяющий качество жизни человека и, безусловно,
неисчерпаемый рынок наукоемкой высокоинтеллектуальной и креативной 
продукции.

ВВЕДЕНИЕ

Современный социум все сильнее связывает глобальными потоками 
информации производственную, транспортную и жилую инфраструктуры, 
составляющие сферу жизнедеятельности индивида [1]–
[5]. Качественная особенность современного социума состоит в том, 
что его неотъемлемой частью стал Интернет вещей – виртуальная IoT-
среда. Интенсивное развитие IoT-систем во многом трансформирует 
сложившиеся представления о том, каковы комфортные коммуникации 
индивида в этой среде. Адекватный способ «общения» с IoT-средой 
на ее языке обеспечивается индивидуальным IoP-интерфейсом, позволяющим 
адаптивно управлять объектами IoT-среды. 
Применительно к биоинтерфейсам справедливо известное выражение «
вторая кожа». 

Рис. В.1. Конформный IoP-интерфейс [12]

Персонифицированный доступ, идентификация, биометрический 
контроль и управление – вот далеко не полный перечень функциональных 
возможностей, которыми должны обладать конформные 
IoP-интерфейсы [6]–[11], объединяющие в своем составе энергетиче-
ские1, сенсорные2 информационные, коммуникационные и защитные 
элементы и модули (рис. B.1).
Конформный IoP-интерфейс дуален, входящие в его состав на-
носенсоры (рис. В.2) позволяют, с одной стороны, осуществлять мониторинг 
биопараметров и жизнедеятельности индивида, а с другой 
стороны, используя результаты этого мониторинга, управлять IoT- и 
HMI-объектами.
Наиболее активное развитие в настоящее время получили биометрические 
IoP-интерфейсы и тактильные IoP-интерфейсы.
Биометрические IoP-интерфейсы объединяют в себе диагностические 
IoP-интерфейсы и распознающие IoP-интерфейсы. Мониторинг 
биопараметров и двигательной активности, ориентированный, 
в первую очередь, на здоровый образ жизни и медицинское применение, 
может использоваться как биопараметрический IoP-интерфейс, 
который настраивает параметры комфортной среды без активного 
участия пользователя.
В самом деле, преобразование произносимых вслух звуков и 
слов – это не что иное, как IoP-интерфейс распознавания речи. Мимический 
контроль эмоционального состояния (особенно – стресса) – 
это одновременно и мимический IoP-интерфейс. Мониторинг движения 
пальцев рук позволяет контролировать мышечную активность и 
вместе с тем – это IoP-интерфейс, управляющий жестами. 
Тактильные интерфейсы включают в себя управляющие IoP-
интерфейсы и HMI. Управляющие IoP-интерфейсы – это одновременно «
допуск» и «пропуск» индивида к активному управлению 
объектами IoT-среды. Тактильный мониторинг бионических и робототехнических 
HMI-систем – это их «осязание», которое подобно человеческой 
коже формирует «портрет» объекта, чтобы в дальнейшем 
запомнить, идентифицировать, обработать и использовать полученную 
информацию.
Целью настоящей книги являлся обзор современного состояния 
и перспектив развития конформных IoP-интерфейсов.

1 Рассмотрены в книге «Биоинтерфейс. Книга 1: Конформная наноэнергетика».

2 Рассмотрены в книге «Биоинтерфейс. Книга 2: Конформная наносенсорика».

В первой и второй главах представлены биометрические и тактильные 
IoP-интерфейсы, их основные особенности и функциональные 
возможности (в особенности – сенсорные). В третьей и четвертой 
главах рассмотрены основные виды и особенности энергетических 
и визуализующих устройств, входящих в состав конформных IoP-
интерфейсов. Пятая глава посвящена многофункциональным IoP интерфейсам. 
Физические основы работы основных устройств конформной 
наносенсорики и наноэнергетики вынесены в приложение.

Рис. В.2. Наносенсорика конформных IoP-интерфейсов [13]

Глава 1. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ

Биометрический «портрет» любого человека можно охарактеризовать 
совокупностью его физиологических данных и поведенческих 
особенностей. К физиологическим данным принято относить параметры 
сердечно-сосудистой системы, дыхательной системы, системы 
внутренних органов и опорно-двигательного аппарата, а также 
анатомические особенности организма. Поведенческие особенности 
включают в себя характерные для конкретного человека походку, речь, 
жестикуляцию и мимику.
Возможности (по отдельности или в совокупности) биометрических 
IoP-интерфейсов – диагностика и распознавание – это не только 
идентификация и контроль состояния пользователя, а также его прав 
доступа, но и собственно IoP-управление – активное или пассивное.

1.1. Диагностические IoP-интерфейсы

В настоящее время сформировались два вида диагностических 
интерфейсов: биопараметрические IoP-интерфейсы и IoP-интерфейсы 
двигательной активности.

Биопараметрические IoP-интерфейсы
Пьезорезистивный Srp можно использовать и как тактильную 
перчатку, и как сенсорную наклейку (рис. 1.1). Активным элементом 
прототипа1 этого устройства служит мембрана из (PAM/PAA)-
гидрогеля2, изначально осажденная на подложку поверх планарных 
электродов. В процессе UV-обработки поверхность предварительно 
высушенной мембраны приобрела ребристую микроструктуру, 
затем верхние грани микроребер, расположенных параллельно друг 
другу между электродами, покрывались тонкой (Ag NWs)-пленкой. 
В завершение прототип коммутировался с внешними электродами 
и инкапсулировался3 защитной оболочкой. Сравнение с аналогом, 
имевшим активный планарный элемент, показало, что микрострук-
турирование улучшило характеристики прототипа. В области малых 

1  Прототип – первоначальное устройство базовой функциональности для анализа 
работы в целом. После этапа прототипирования обязательно следуют этапы 
разработки, реализации и тестирования конечного устройства.

2 В качестве сшивающего агента использовался MBA. 

3  Инкапсуляция – размещение в оболочке, изоляция, закрытие.