后疫情時(shí)代，公共場合的接觸式人機(jī)交互（Human-Machine Interaction, HMI）界面因需物理接觸存在讓人們感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，基于濕度傳感器的非接觸式交互技術(shù)可有效規(guī)避此類問題。值得注意的是，人體手掌因富含水分子，能提供穩(wěn)定的濕度源，這使其成為非接觸式人機(jī)交互的理想特征載體。此外，濕度作為環(huán)境監(jiān)測的核心參數(shù)，其變化直接影響工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)及醫(yī)療健康等領(lǐng)域。因此，開發(fā)高性能濕度傳感器不僅能為非接觸式人機(jī)交互提供創(chuàng)新解決方案，還具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的濕度傳感研究多聚焦于提升單個(gè)傳感器的性能（如靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等），其在表征濕度場空間分布方面仍存在局限性。為了實(shí)現(xiàn)精確的非接觸式人機(jī)交互，需要傳感器陣列來檢測濕度場的變化。然而，濕度場傳感陣列的研究仍然有限，面臨著諸如可拓展的制備方法和傳感器性能均勻性等挑戰(zhàn)，此外，需要開發(fā)新的敏感材料和機(jī)制來加快響應(yīng)和恢復(fù)速度，實(shí)現(xiàn)低延遲和精準(zhǔn)的非接觸交互。

為了解決這一問題，本文提出了一種基于1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺酰基)亞胺（EMIMTFSI）/聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVDF-HFP）離子凝膠的高性能柔性濕度傳感器及其可擴(kuò)展陣列化制備方法。基于模板法將離子凝膠前驅(qū)液選擇性旋涂于印刷有叉指電極陣列區(qū)域的柔性聚酰亞胺襯底上，實(shí)現(xiàn)了傳感器陣列的可擴(kuò)展制備。這種方法允許精確控制敏感層的厚度并確保陣列中傳感器的響應(yīng)均一性，與傳統(tǒng)制造方法相比，不同器件間響應(yīng)偏差降低了9倍。此外，傳感單元還展示了快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（0.65/0.85 s）、寬檢測范圍（11%-98% RH）、良好的可重復(fù)性和長期穩(wěn)定性（120天以上），以及抗彎曲能力和良好的環(huán)境穩(wěn)定性。這些令人印象深刻的濕度傳感性能使離子凝膠傳感器陣列適用于實(shí)時(shí)呼吸監(jiān)測和手指的濕度場識(shí)別。此外，通過結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了對不同呼吸模式及非接觸式手勢識(shí)別的準(zhǔn)確分類。這些應(yīng)用突出了離子凝膠濕度傳感器陣列在醫(yī)療保健和非接觸式HMI領(lǐng)域的潛力。相關(guān)工作以“Scalable Fabrication of Uniform Fast-Response Humidity Field Sensing Array for Respiration Recognition and Contactless Human-Machine Interaction”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院吳進(jìn)副教授、南京工業(yè)大學(xué)柔性電子（未來技術(shù)）學(xué)院霍峰蔚教授。共同第一作者為中山大學(xué)研究生張志鋮和李健燁。

圖1 柔性離子凝膠濕度傳感器陣列的制備和應(yīng)用示意圖

本文報(bào)道了一種柔性的離子凝膠基濕度傳感器陣列，它能夠在人工智能技術(shù)的輔助下識(shí)別空間濕度場分布，用于精確的呼吸特征識(shí)別和非接觸式手勢分類，設(shè)計(jì)的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)還可用于遠(yuǎn)程控制藥物輸送車輛。陣列的傳感層是由離子液體和聚合物網(wǎng)絡(luò)通過離子-偶極相互作用交聯(lián)形成的疏水離子凝膠（圖1b）。

圖2 離子凝膠的表征、傳感單元的性能調(diào)控，以及旋涂陣列法制備的傳感器與分批次制備的傳感器的均一性對比。對離子凝膠微觀形貌、熱穩(wěn)定性和可控的厚度等性能進(jìn)行了表征。為了獲得最佳的傳感器性能和相應(yīng)的制備工藝，探究了交流電壓的頻率、電極間距、離子凝膠傳感層厚度等對傳感器性能的影響規(guī)律。

圖3 離子凝膠的傳感機(jī)理；離子凝膠的快響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間、長壽命、低遲滯、抗彎曲和寬工作溫度等特性；離子凝膠濕度傳感器與其他濕敏材料傳感器性能對比。

使用電化學(xué)工作站對傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜分析。在不同濕度水平下，復(fù)阻抗譜呈現(xiàn)出相同的高頻區(qū)半圓特征和低頻區(qū)線性特征。結(jié)果說明離子凝膠濕度傳感器的傳感機(jī)制不僅涉及離子凝膠的固有阻抗、離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，還與電極-離子凝膠界面的電荷轉(zhuǎn)移過程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的性能在超過120天時(shí)仍保持不變，具有循環(huán)穩(wěn)定性，低于6%的滯后性，彎曲150° 仍可正常工作的抗彎曲性，高達(dá)60 ℃仍可識(shí)別不同相對濕度的寬工作溫度范圍。

圖4 離子凝膠濕度傳感器的呼吸監(jiān)測及呼吸模式識(shí)別能力

由于離子凝膠濕度傳感器具有良好的濕度傳感能力，是呼吸監(jiān)測和非接觸式人機(jī)交互的良好選擇。對于呼吸監(jiān)測，使用單個(gè)離子凝膠濕度傳感器結(jié)合口罩設(shè)計(jì)了可穿戴的呼吸監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，可以在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示受試者的呼吸狀態(tài)，并且具備呼吸中斷超過一定時(shí)間的報(bào)警功能。此外，還使用傳感器陣列與口罩結(jié)合，通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了不同呼吸模式（口呼吸、鼻呼吸、單側(cè)鼻堵塞）的識(shí)別，這是單個(gè)傳感器無法做到的。值得注意的是，對于呼出氣體的濕度場識(shí)別準(zhǔn)確率，與陣列的通道數(shù)息息相關(guān)，通道數(shù)越多，識(shí)別準(zhǔn)確率越高。

圖5 離子凝膠濕度傳感器的非接觸式人機(jī)交互及手勢識(shí)別能力

人類手指表面是高于空氣相對濕度的穩(wěn)定濕度源。當(dāng)手指靠近傳感器表面時(shí)，傳感器的電導(dǎo)增加；當(dāng)手指遠(yuǎn)離傳感器表面時(shí)，電導(dǎo)迅速減小。結(jié)果證實(shí)離子凝膠濕度傳感器具備作為非接觸式人機(jī)交互界面的能力。陣列不僅可以有效識(shí)別手指滑動(dòng)引起的濕度場變化，基于陣列的非接觸式人機(jī)交互系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了不同手指滑動(dòng)軌跡控制藍(lán)牙小車運(yùn)動(dòng)。此外，良好的手勢識(shí)別結(jié)果證明，濕度傳感器陣列可以準(zhǔn)確的捕捉到空間上濕度場分布的不同。

總結(jié)：作者采用將離子凝膠旋涂于印刷有叉指電極陣列和隔離模板的柔性聚酰亞胺襯底上，實(shí)現(xiàn)了傳感器的低成本、可擴(kuò)展、均一化制備。陣列化制備的傳感單元之間的性能均一性相對于分批次制備的傳感器好了9倍。此外還通過優(yōu)化電極間距和傳感層厚度提高了傳感單元的濕度響應(yīng)性能。同時(shí)，這種方法制備的傳感單元以及傳感陣列可以應(yīng)用于準(zhǔn)確的非接觸式人機(jī)交互界面、人體精細(xì)的呼吸監(jiān)測和模式識(shí)別以及非接觸式手勢識(shí)別。

審核編輯 黃宇