用于情緒模式識別和非接觸式人機(jī)界面的皮膚適形透氣濕度傳感器

濕度傳感器作為一種基礎(chǔ)型可穿戴電子器件，能夠有效監(jiān)測環(huán)境或人體皮膚表面的濕度變化。采用非接觸式傳感模式運(yùn)行的濕度傳感器避免了接觸式傳感器常見的機(jī)械磨損和交叉感染等問題，在醫(yī)療監(jiān)測、人機(jī)界面（HMI）、情緒分析、體育活動(dòng)和安全生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)階段的濕度傳感器普遍存在佩戴舒適度不足和皮膚刺激等問題，限制了其長期使用性。因此，開發(fā)具有超薄、高透氣性、快速濕度響應(yīng)和高靈敏度特性的濕度傳感器，對于實(shí)現(xiàn)連續(xù)健康監(jiān)測至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海大學(xué)張建華教授、趙婷婷副教授及其研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種皮膚適形透氣濕度傳感器，該傳感器基于MXenes復(fù)合材料和具有圖案化電極的靜電紡絲彈性體納米纖維制備而成，不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的透氣性（0.078 g cm?2d?1）、高靈敏度（S = 704）和快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（0.9 s/0.9 s），還具備出色的皮膚適應(yīng)性和生物相容性。此外，該傳感器還能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和情緒模式識別。這項(xiàng)研究為開發(fā)先進(jìn)的非接觸式人機(jī)界面開辟了新的路徑。相關(guān)研究成果以“A skin-conformal and breathable humidity sensor for emotional mode recognition and non-contact human-machine interface”為題發(fā)表在npj Flexible Electronics期刊上。

圖1 本研究提出的皮膚適形透氣濕度傳感器示意圖及應(yīng)用

這項(xiàng)研究所提出皮膚適形透氣濕度傳感器基于一種獨(dú)特的復(fù)合材料，即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物納米纖維（SBS NFs）和堿化MXenes/聚多巴胺（AMP）復(fù)合材料，簡稱為SAMP復(fù)合材料。其中，AMP因其較大的比表面積和豐富的吸水羥基而對水分子高度敏感，SBS NFs為支撐功能材料和電極提供了超薄、高柔性和高滲透性的基底。基于SBS NFs和AMP的協(xié)同效應(yīng)，SAMP復(fù)合材料促進(jìn)了具有高傳感性能的皮膚適形透氣濕度傳感器的實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于SAMP的濕度傳感器的制備和表征

呼吸模式（例如呼吸深度和頻率）受人的運(yùn)動(dòng)和情緒狀態(tài)影響非常大。由于鼻子或嘴巴呼氣中的水分子含量很高，利用濕度傳感器可以通過監(jiān)測呼吸模式來評估人的運(yùn)動(dòng)和情緒狀態(tài)?；赟AMP的濕度傳感器具有優(yōu)異的透氣性和較高的濕度響應(yīng)，可用于可穿戴設(shè)備來監(jiān)測與濕度相關(guān)的行為。通過實(shí)驗(yàn)演示，研究人員驗(yàn)證了基于SAMP的濕度傳感器能夠準(zhǔn)確檢測不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的呼吸變化，并識別四種不同的情緒模式。

圖3 基于SAMP的濕度傳感器在識別運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和情緒模式中的應(yīng)用

利用基于濕度模態(tài)的人機(jī)界面，通過手指皮膚天然的濕度場進(jìn)行非接觸式操作，可以有效避免機(jī)械接觸帶來的細(xì)菌交叉感染。研究人員基于3 × 3濕度傳感器陣列開發(fā)了一種非接觸式人機(jī)界面，該界面能夠通過手指的非接觸式滑動(dòng)來控制機(jī)器人小車的運(yùn)動(dòng)，展示了柔性人機(jī)界面在非接觸式控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖4 基于SAMP的濕度傳感器及其非接觸式人機(jī)界面應(yīng)用

綜上所述，這項(xiàng)研究工作基于SAMP復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了具有高透氣性、高靈敏度和快速響應(yīng)/恢復(fù)特性的濕度傳感器，為健康監(jiān)測和非接觸式人機(jī)界面的研究發(fā)展提供了新的思路。

審核編輯：劉清