Advanced Materials:基于湿度传感的柔性非接触人机交互

随着物联网和人工智能的发展,人机交互中的智能传感器成为了不可或缺的一部分,并且不断更迭改变着人们与周围环境的信息交互方式。从常见的照明开关到公共场所的电梯或银行提款机按键,都是依靠触摸式操作完成的。然而,这种传统的接触传感和操控会带来不可避免的磨损和疲劳。而在医院等一些特殊公共场所,直接触控人机界面是多种细菌和病毒的潜在载体,极易造成用户或医疗设施受到污染。目前传统的刚性人机交互界面不适用于一些极端的高形变、高扭曲场景。在这种情况下,柔性非接触传感与操控的人机界面以其无磨损、无污染和适型性好等特点,启发了下一代柔性非接触人机交互的新策略。

图1 利用湿度敏感实现柔性非接触传感与人机交互设计图

湿度场是典型的非接触空间影响物理场,而人体口鼻以及皮肤表面都是最佳的湿度源,受此启发,上海交通大学刘景全与杨斌教授团队通过静电纺丝和超声共融工艺,提出一种基于多层石墨烯超声修饰静电纺丝柔性尼龙(PA)66的电阻型湿度敏感体系,一方面通过纳米纤维网络的结构设计增强了基底的毛细作用,另一方面巧妙利用PA66本身分子结构中大量的酰胺键易与水分子形成氢键作用的机理,使得复合材料极易“吸水变形膨胀”,从而造成导电网络变化,实现柔性湿度敏感。得益于出色的适型性与灵活性,传感器可以承受剧烈变形且轻易地改变自身形态,从而达到在更苛刻的环境中以任何形态正常工作并准确识别各种湿度变化。

图2 (a)柔性湿度传感器可以承受剧烈变形(如折叠、扭曲、打结等)且不影响正常工作;(b)传感器在以上不同状态下对50%RH湿度的循环检测与(c)湿度阶梯变化的检测

该研究进一步开发了后端电路与专用APP,通过远程检测呼吸频率的方法在一定程度上模拟了哮喘等呼吸急促场景,并且成功实现了远程实时监测与预警系统。

该工作创新性地利用湿度敏感机制来实现柔性非接触的远程监测与非接触操控系统,建立了不同情况下湿度变化与传感器信号响应的关系,实现了对环境或者人体皮肤表面小微湿度变化的准确检测。作为概念验证,研究者们同时通过MEMS工艺构建阵列式传感器,并将该柔性湿度传感器阵列布局在曲面上,通过 “隔空”多点检测以及划动手势识别,赋予不同滑动手势以不同的指挥命令,实现了柔性非接触式的人机操控系统。该系统有望广泛应用于医院中,实现零接触感染风险的隔空操控目的,大大提高特定场景中人机交互的安全性。

图3 模拟婴儿哮喘检测与远程预警

图4 非接触检测与人机交互控制

或许在不久的将来,人机交互接口将不再以机器为单一载体,织物、纸张和树叶等任何软硬的物体,都能向该柔性湿度传感系统借力,为使用者提供不受位置、形态和场景限制的从心所欲、操纵自如的智能柔性人机交互界面,让人性化、安全性和智能性充分融合在生活中的任何人机交互场景中。相关论文在线发表在Advanced Materials上(论文信息附后),并入选为当期frontispiece。

论文信息:

Flexible Noncontact Sensing for Human–Machine Interaction

Lijun Lu, Chunpeng Jiang, Guosheng Hu, Jingquan Liu*, Bin Yang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100218