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上海交大研發用于非接觸式人機交互的MEMS濕度傳感器
近日，電院劉景全教授與楊斌教授在國際著名期刊Advanced Materials（影響因子為27.398）在線發表了題為“Flexible Noncontact Sensing for Human-Machine Interaction”的論文。該系統有望廣泛應用于醫院中，實現零接觸感染風險的隔空操控目的，大大提高特定場景中人機交互的安全性！
隨著物聯網和人工智能的發展，人機交互中的智能傳感器成為了不可或缺的一部分，并且不斷更迭改變著人們與周圍環境的信息交互方式。從常見的照明開關到公共場所的電梯或銀行提款機按鍵，都是依靠觸摸式操作完成的。然而，這種傳統的接觸傳感和操控會帶來不可避免的磨損和疲勞。而在醫院等一些特殊公共場所，直接觸控人機界面是多種細菌和病毒的潛在載體，極易造成用戶或醫療設施污染。目前傳統的剛性人機交互界面不適用于一些極端的高形變、高扭曲場景。在這種情況下，柔性非接觸傳感與操控的人機界面以其無磨損、無污染和適型性好等特點，啟發了下一代柔性非接觸人機交互的新策略。 圖1 利用濕度敏感實現柔性非接觸傳感與人機交互設計圖 濕度場是典型的非接觸空間影響物理場，而人體口鼻以及皮膚表面都是最佳的濕度源，受此啟發，該研究通過靜電紡絲和超聲共融工藝，提出一種基于多層石墨烯超聲修飾靜電紡絲柔性尼龍(PA)66的電阻型濕度敏感體系，一方面通過納米纖維網絡的結構設計增強了基底的毛細作用，另一方面巧妙利用PA66本身分子結構中大量的酰胺鍵易與水分子形成氫鍵作用的機理，使得復合材料極易“吸水變形膨脹”，從而造成導電網絡變化，實現柔性濕度敏感。得益于出色的適型性與靈活性，傳感器可以承受劇烈變形且輕易地改變自身形態，從而達到在更苛刻的環境中以任何形態正常工作并準確識別各種濕度變化的目的。 圖2（a）柔性濕度傳感器可以承受劇烈變形（如折疊、扭曲、打結等）且不影響正常工作； （b）傳感器在以上不同狀態下對50%RH濕度的循環檢測與（c）濕度階梯變化的檢測 該研究進一步開發了后端電路與專用APP，通過濕度敏感效應成功實現了面向健康醫療的哮喘遠程檢測預警。同時，針對口鼻處的濕度源，該柔性濕度傳感器可以一定程度上將說話過程中的濕度變化轉化為語音信號，具有低音量檢測、屏蔽環境噪聲等獨特優勢，有望在未來替代傳統抗環境噪聲干擾能力差的商用電磁、電容式麥克風。 圖3 模擬嬰兒哮喘檢測與遠程預警 該工作創新性地利用濕度敏感機制來實現柔性非接觸的遠程監測與非接觸操控系統，建立了不同情況下濕度變化與傳感器信號響應的關系，實現了對環境或者人體皮膚表面小微濕度變化的準確檢測。作為概念驗證，研究者們同時通過MEMS工藝構建陣列式傳感器，并將該柔性濕度傳感器陣列布局在曲面上，通過 “隔空”多點檢測以及劃動手勢識別，賦予不同滑動手勢以不同的指揮命令，實現了柔性非接觸式的人機操控系統。 圖4 非接觸檢測與人機交互控制 或許在不久的將來，人機交互接口將不再以機器為單一載體，織物、紙張和樹葉等任何軟硬的物體，都能向該柔性濕度傳感系統借力，為使用者提供不受位置、形態和場景限制的從心所欲、操縱自如的智能柔性人機交互界面，讓人性化、安全性和智能性充分融合在生活中的任何人機交互場景中。 上海交通大學電子信息與電氣工程學院博士研究生路禮軍和姜春蓬為該論文的共同第一作者。上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系智能感知與生物醫學微系統實驗室（EE-MEMS）劉景全教授與楊斌教授為該論文的共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助。
