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上海交大研發(fā)用于非接觸式人機(jī)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(fā)表了題為“Flexible Noncontact Sensing for Human-Machine Interaction”的論文。該系統(tǒng)有望廣泛應(yīng)用于醫(yī)院中，實(shí)現(xiàn)零接觸感染風(fēng)險的隔空操控目的，大大提高特定場景中人機(jī)交互的安全性！
隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展，人機(jī)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(huán)境的信息交互方式。從常見的照明開關(guān)到公共場所的電梯或銀行提款機(jī)按鍵，都是依靠觸摸式操作完成的。然而，這種傳統(tǒng)的接觸傳感和操控會帶來不可避免的磨損和疲勞。而在醫(yī)院等一些特殊公共場所，直接觸控人機(jī)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)施污染。目前傳統(tǒng)的剛性人機(jī)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(jī)界面以其無磨損、無污染和適型性好等特點(diǎn)，啟發(fā)了下一代柔性非接觸人機(jī)交互的新策略。 圖1 利用濕度敏感實(shí)現(xiàn)柔性非接觸傳感與人機(jī)交互設(shè)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(fā)，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(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計增強(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。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(tài)，從而達(dá)到在更苛刻的環(huán)境中以任何形態(tài)正常工作并準(zhǔn)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(jié)等）且不影響正常工作； （b）傳感器在以上不同狀態(tài)下對50%RH濕度的循環(huán)檢測與（c）濕度階梯變化的檢測 該研究進(jìn)一步開發(fā)了后端電路與專用APP，通過濕度敏感效應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)了面向健康醫(yī)療的哮喘遠(yuǎn)程檢測預(yù)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(zhuǎn)化為語音信號，具有低音量檢測、屏蔽環(huán)境噪聲等獨(dú)特優(yōu)勢，有望在未來替代傳統(tǒng)抗環(huán)境噪聲干擾能力差的商用電磁、電容式麥克風(fēng)。 圖3 模擬嬰兒哮喘檢測與遠(yuǎn)程預(yù)警 該工作創(chuàng)新性地利用濕度敏感機(jī)制來實(shí)現(xiàn)柔性非接觸的遠(yuǎn)程監(jiān)測與非接觸操控系統(tǒng)，建立了不同情況下濕度變化與傳感器信號響應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境或者人體皮膚表面小微濕度變化的準(zhǔn)確檢測。作為概念驗(yàn)證，研究者們同時通過MEMS工藝構(gòu)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了柔性非接觸式的人機(jī)操控系統(tǒng)。 圖4 非接觸檢測與人機(jī)交互控制 或許在不久的將來，人機(jī)交互接口將不再以機(jī)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(tǒng)借力，為使用者提供不受位置、形態(tài)和場景限制的從心所欲、操縱自如的智能柔性人機(jī)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(jī)交互場景中。 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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為該論文的共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目的資助。
