后疫情時代，公共場合的接觸式人機交互（Human-Machine Interaction, HMI）界面因需物理接觸存在讓人們感染病毒的風險。相比之下，基于濕度傳感器的非接觸式交互技術可有效規避此類問題。值得注意的是，人體手掌因富含水分子，能提供穩定的濕度源，這使其成為非接觸式人機交互的理想特征載體。此外，濕度作為環境監測的核心參數，其變化直接影響工業生產、農業生態及醫療健康等領域。因此，開發高性能濕度傳感器不僅能為非接觸式人機交互提供創新解決方案，還具有重要的學術價值與工程應用潛力。然而，現有的濕度傳感研究多聚焦于提升單個傳感器的性能（如靈敏度、響應時間等），其在表征濕度場空間分布方面仍存在局限性。為了實現精確的非接觸式人機交互，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，此外，需要開發新的敏感材料和機制來加快響應和恢復速度，實現低延遲和精準的非接觸交互。

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展陣列化制備方法。基于模板法將離子凝膠前驅液選擇性旋涂于印刷有叉指電極陣列區域的柔性聚酰亞胺襯底上，實現了傳感器陣列的可擴展制備。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均一性，與傳統制造方法相比，不同器件間響應偏差降低了9倍。此外，傳感單元還展示了快速響應/恢復時間（0.65/0.85 s）、寬檢測范圍（11%-98% RH）、良好的可重復性和長期穩定性（120天以上），以及抗彎曲能力和良好的環境穩定性。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時呼吸監測和手指的濕度場識別。此外，通過結合神經網絡算法實現了對不同呼吸模式及非接觸式手勢識別的準確分類。這些應用突出了離子凝膠濕度傳感器陣列在醫療保健和非接觸式HMI領域的潛力。相關工作以“Scalable Fabrication of Uniform Fast-Response Humidity Field Sensing Array for Respiration Recognition and Contactless Human-Machine Interaction”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為中山大學電子與信息工程學院吳進副教授、南京工業大學柔性電子（未來技術）學院霍峰蔚教授。共同第一作者為中山大學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用示意圖

本文報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的輔助下識別空間濕度場分布，用于精確的呼吸特征識別和非接觸式手勢分類，設計的非接觸式人機交互系統還可用于遠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絡通過離子-偶極相互作用交聯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、熱穩定性和可控的厚度等性能進行了表征。為了獲得最佳的傳感器性能和相應的制備工藝，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律。

圖3 離子凝膠的傳感機理；離子凝膠的快響應/恢復時間、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。

使用電化學工作站對傳感器進行了系統的電化學阻抗譜分析。在不同濕度水平下，復阻抗譜呈現出相同的高頻區半圓特征和低頻區線性特征。結果說明離子凝膠濕度傳感器的傳感機制不僅涉及離子凝膠的固有阻抗、離子擴散動力學，還與電極-離子凝膠界面的電荷轉移過程有關。實驗結果表明傳感器的性能在超過120天時仍保持不變，具有循環穩定性，低于6%的滯后性，彎曲150° 仍可正常工作的抗彎曲性，高達60 ℃仍可識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測及呼吸模式識別能力

由于離子凝膠濕度傳感器具有良好的濕度傳感能力，是呼吸監測和非接觸式人機交互的良好選擇。對于呼吸監測，使用單個離子凝膠濕度傳感器結合口罩設計了可穿戴的呼吸監測報警系統，可以在手機端實時顯示受試者的呼吸狀態，并且具備呼吸中斷超過一定時間的報警功能。此外，還使用傳感器陣列與口罩結合，通過深度學習算法實現了不同呼吸模式（口呼吸、鼻呼吸、單側鼻堵塞）的識別，這是單個傳感器無法做到的。值得注意的是，對于呼出氣體的濕度場識別準確率，與陣列的通道數息息相關，通道數越多，識別準確率越高。

圖5 離子凝膠濕度傳感器的非接觸式人機交互及手勢識別能力

人類手指表面是高于空氣相對濕度的穩定濕度源。當手指靠近傳感器表面時，傳感器的電導增加；當手指遠離傳感器表面時，電導迅速減小。結果證實離子凝膠濕度傳感器具備作為非接觸式人機交互界面的能力。陣列不僅可以有效識別手指滑動引起的濕度場變化，基于陣列的非接觸式人機交互系統還實現了不同手指滑動軌跡控制藍牙小車運動。此外，良好的手勢識別結果證明，濕度傳感器陣列可以準確的捕捉到空間上濕度場分布的不同。

總結：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，實現了傳感器的低成本、可擴展、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。此外還通過優化電極間距和傳感層厚度提高了傳感單元的濕度響應性能。同時，這種方法制備的傳感單元以及傳感陣列可以應用于準確的非接觸式人機交互界面、人體精細的呼吸監測和模式識別以及非接觸式手勢識別。

審核編輯 黃宇