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  目前，各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)的控制操作，從常見(jiàn)的照明開(kāi)關(guān)到公共場(chǎng)所的電梯或銀行提款機(jī)，都是依靠觸摸式操作來(lái)完成的，然而，這種傳統(tǒng)的接觸傳感和操控會(huì)帶來(lái)不可避免的磨損和疲勞。通常，在一些醫(yī)院等特殊場(chǎng)合，傳統(tǒng)接觸式人機(jī)交互界面是多種細(xì)菌和病毒的潛在載體，極易造成用戶或醫(yī)療設(shè)施的污染，尤其是在全球新冠肺炎流行期間。濕度場(chǎng)是典型的非接觸空間影響物理場(chǎng)，受此啟發(fā)，可以利用濕度敏感機(jī)理來(lái)進(jìn)行“隔空”檢測(cè)與操控。

  針對(duì)目前傳統(tǒng)接觸式人機(jī)交互存在的問(wèn)題以及剛性人機(jī)交互界面在極端高形變，高扭曲場(chǎng)景中的局限性，劉景全教授與楊斌教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)靜電紡絲和超聲共融工藝，提出一種基于多層石墨烯(MG)超聲修飾靜電紡絲柔性尼龍(PA)66的電阻型濕度敏感體系，一方面通過(guò)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效提高比表面積、增強(qiáng)了基底的毛細(xì)作用，另一方面巧妙利用PA66本身分子化學(xué)結(jié)構(gòu)中大量的酰胺鍵易與水分子形成氫鍵作用的機(jī)理，使得復(fù)合材料極易“吸水變形膨脹”，從而造成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變化，實(shí)現(xiàn)柔性濕度敏感。

圖1. MG/PA66復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能表征：（a）掃描電鏡圖，（b）相對(duì)電阻碎不同濕度變化的變化，（c）不同彎曲角度情況下材料電阻穩(wěn)定性，（d）四種不同的物理結(jié)構(gòu)形式(平的、折疊的、扭曲的和打結(jié)的)與它們分別在20 ~ 50%RH之間的循環(huán)響應(yīng)性能（e），以及在濕度階梯變化下20% RH- 50%RH- 80% RH- 50%RH - 20% RH）的響應(yīng)性能

  基于濕度敏感機(jī)制，通過(guò)檢測(cè)口鼻處呼吸濕度變化，該工作通過(guò)試試遠(yuǎn)程檢測(cè)呼吸頻率的方法在一定程度上模擬了哮喘等呼吸急促場(chǎng)景，并且成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。

圖2. 哮喘遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警模擬

  該工作利用濕度敏感機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性非接觸的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與非接觸操控系統(tǒng)，建立了不同情況下濕度變化與傳感器信號(hào)響應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境或者人體皮膚表面小微濕度變化的準(zhǔn)確檢測(cè)，通過(guò)MEMS工藝構(gòu)建陣列式傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸多點(diǎn)檢測(cè)以及滑動(dòng)手勢(shì)識(shí)別。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了后端電路與專用APP，利用濕度敏感效應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)柔性非接觸式的人機(jī)操控系統(tǒng)，為柔性可穿戴非接觸傳感與操控提供了一個(gè)普適有效的方法。

圖3. 利用人體指尖小微濕度實(shí)現(xiàn)柔性非接觸操控

  以上相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202100218）上。論文第一作者是上海交通大學(xué)電院微納電子學(xué)系博士研究生路禮軍和姜春蓬，通訊作者為上海交通大學(xué)電院微納電子學(xué)系智能感知與生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（EE-MEMS）劉景全教授與楊斌教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100218