人機(jī)交互不再依賴電池，上交團(tuán)隊(duì)靠濕氣發(fā)電，劃手勢就能操控設(shè)備

當(dāng)人機(jī)互動(dòng)不再依賴電池、攝像頭、雷達(dá)，僅靠手勢控制，未來的智能生活將迎來怎樣的變革？

近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院沈道智副教授團(tuán)隊(duì)在 Science Advances 發(fā)表突破性成果，他們開發(fā)了一款基于濕氣發(fā)電，隔空 8 厘米就能精準(zhǔn)識(shí)別手勢的人機(jī)交互界面，不用電池、不用觸摸，靠手在空氣中劃幾下就能控制設(shè)備，輸密碼、玩 VR、遙控小車。

“我們想要挖掘濕氣發(fā)電在功能方面的潛力。用濕氣發(fā)電做隔空交互、非接觸式交互技術(shù)，其實(shí)就是一次從供電元件到功能元件的轉(zhuǎn)折，也是一次非常有意義的嘗試。”沈道智告訴 DeepTech。

沈道智的研究方向包括智能識(shí)別、能量收集、微納器件，以及原子級(jí)制造。他本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，博士畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，曾在滑鐵盧大學(xué)進(jìn)行過為期 3 年的博士后研究。覆蓋了材料、機(jī)械、化學(xué)、電子等多個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)注到濕氣發(fā)電這一領(lǐng)域源于沈道智在滑鐵盧大學(xué)期間的一次偶然轉(zhuǎn)折，過程極具戲劇性。當(dāng)時(shí)，面對(duì)一個(gè)未能達(dá)到預(yù)期效果的實(shí)驗(yàn)樣品，他進(jìn)行了一次看似隨意的嘗試——順手對(duì)著器件吹了一口氣。

正是這一極其自然的動(dòng)作，帶來了意想不到的反饋：儀器清晰地監(jiān)測到了電壓信號(hào)。這次偶然的發(fā)現(xiàn)，讓他正式切入了這個(gè)當(dāng)時(shí)還顯得有些“小眾且有趣”的科研賽道。不過，即便團(tuán)隊(duì)后續(xù)做了大量的探索與研究，時(shí)至今日，學(xué)術(shù)界對(duì)于濕氣發(fā)電的底層機(jī)理解釋仍然存在一定的爭論。

在采訪的過程中，沈道智始終強(qiáng)調(diào)“要做一些不一樣的東西”。從最初的空氣濕氣發(fā)電，到跨越介質(zhì)實(shí)現(xiàn)水下濕氣發(fā)電，再到如今將其轉(zhuǎn)化為非接觸式手勢交互的物理接口。他正不斷向外拓展著自己的研究邊界。

8 厘米隔空讀懂每一個(gè)手勢

2015 年，從濕氣中發(fā)電的能力首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此后引起了廣泛關(guān)注。“濕氣發(fā)電的核心優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)。首先是極強(qiáng)的普適性。基于全球水循環(huán)，無論是濕潤的雨林還是極度干燥的沙漠，空氣中始終蘊(yùn)藏著水分子，這意味著它在幾乎任何環(huán)境下都能隨時(shí)獲取能量；其次是綠色環(huán)保。水是自然界最天然的物質(zhì)，發(fā)電過程既不產(chǎn)生污染，也不消耗稀有資源，高度契合可持續(xù)發(fā)展的理念。”沈道智表示。

2016 年左右，沈道智及團(tuán)隊(duì)觀察到了濕氣發(fā)電的相關(guān)現(xiàn)象。直到 2018 年，他們在 Advanced Materials 發(fā)文，證明濕氣發(fā)電可直接給傳感器供電。

2022 年回國獨(dú)立建組后，沈道智一直想“做一些不一樣的東西”。2024 年，他率先將濕氣發(fā)電拓展到了水下，他們利用防水透氣膜和離子化水凝膠制備了可在水下工作的濕氣發(fā)電裝置，并在水下無線信號(hào)傳輸方面進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。

突破了極端環(huán)境的限制后，沈道智團(tuán)隊(duì)并未停止對(duì)濕氣發(fā)電應(yīng)用邊界的探索。他們將目光投向了濕氣發(fā)電和人機(jī)交互的結(jié)合領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)面臨兩大難題。一是接觸式設(shè)備，比如觸摸屏或力反饋手套，雖然操作直觀，但長期使用會(huì)帶來衛(wèi)生隱患和機(jī)械磨損，尤其在公共場合或醫(yī)療環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)更高。二是非接觸式技術(shù)，如基于電容、光學(xué)或熱電的傳感器，雖然避免了物理接觸，但往往需要持續(xù)供電，電池笨重、需要頻繁更換，還存在安全隱患，如鋰電池泄漏或爆炸。

在這項(xiàng)研究中，為了實(shí)現(xiàn)能夠從環(huán)境濕氣中發(fā)電的電子器件，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了一種水凝膠薄膜，只有約 80 微米厚，組分包括聚乙醇酸（PGA）、纖維素納米纖維（CNF）、鹽和有機(jī)酸，內(nèi)部布滿了微孔，能夠在環(huán)境空氣中自發(fā)吸收水分子。

當(dāng)水凝膠薄膜吸收空氣中的水分子后，PGA 和有機(jī)酸上的大量羧基（-COOH）會(huì)發(fā)生解離，釋放出自由移動(dòng)的氫離子（H+），而較大陰離子被固定在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，形成離子濃度梯度，從而產(chǎn)生電勢及相關(guān)的電流。

圖 | 風(fēng)作用下反向電離機(jī)制示意圖（來源：上述論文）

研究人員觀察到，這種依靠水分子吸收來發(fā)電的過程，雖然輸出穩(wěn)定，但對(duì)周圍極微弱的氣流擾動(dòng)異常敏感。正是順著這一線索，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了全新的物理機(jī)制——湍流調(diào)控的濕電效應(yīng)。

當(dāng)人的手指在裝置上方幾厘米處移動(dòng)時(shí)，手指會(huì)攪動(dòng)周圍空氣，形成局部湍流。這種湍流會(huì)帶來兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的變化：一是導(dǎo)致水凝膠表面局部濕度短暫下降，二是輕微增加局部空氣壓力。這兩種效應(yīng)共同作用于裝置內(nèi)部的離子遷移，最終使輸出電壓產(chǎn)生特征性的波動(dòng)。不同手勢/數(shù)字，波形完全不一樣。

比如寫數(shù)字“0”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙峰雙谷的波形；寫“1”時(shí)則是單峰單谷。令人驚喜的是，這種信號(hào)在手指距離裝置 2-8 厘米范圍內(nèi)都非常穩(wěn)定，即使環(huán)境濕度在 30%-70% 之間波動(dòng)，也不會(huì)丟失關(guān)鍵特征。

除了阿拉伯?dāng)?shù)字，還能解碼字母和單詞。比如手寫“Sad”“Happy”和“ILoveSJTU”會(huì)產(chǎn)生不同的輸出波形，忠實(shí)地反映了每個(gè)手寫單詞的特征。

對(duì)于環(huán)境中不同因素的影響，沈道智認(rèn)為在實(shí)際場景中干擾肯定是存在的，如何排除干擾才是重中之重。

在他看來，外界氣流影響產(chǎn)生的電壓信號(hào)，可能是無序的、隨機(jī)的，而一個(gè)有意識(shí)的手勢輸出所產(chǎn)生的信號(hào)，是有一定規(guī)律的。“通過一些算法，我們可以對(duì)這種有規(guī)律的信號(hào)進(jìn)行解構(gòu)和解析，從而排除那些不穩(wěn)定的、隨機(jī)性的、無規(guī)律的信號(hào)干擾。”

圖 | 非接觸式識(shí)別（來源：上述論文）

團(tuán)隊(duì)采用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）與支持向量機(jī)（SVM）兩種模型，對(duì)非接觸手寫信號(hào)進(jìn)行了解碼。即使每類手勢只用約 20 個(gè)樣本訓(xùn)練，1D-CNN 模型對(duì)于 0-9 阿拉伯?dāng)?shù)字的識(shí)別準(zhǔn)確率也能達(dá)到 91.5%；換成 SVM 模型，識(shí)別準(zhǔn)確率能達(dá)到 99%。

三大場景驗(yàn)證產(chǎn)業(yè)化潛力

研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)在多個(gè)場景中進(jìn)行了測試。

首先是加密信息傳輸。傳統(tǒng)的加密通信高度依賴實(shí)體按鍵來輸入密鑰或密碼，這不僅需要持續(xù)的硬件供電，還極易面臨物理磨損暴露、接觸式竊聽等安全隱患。該技術(shù)提供了一種絕對(duì)隱秘的解法，用戶可以在沒有任何物理連接和外部電源的情況下，僅通過隔空手勢就能輸入加密密鑰。

在概念驗(yàn)證系統(tǒng)中，用戶通過無接觸的手寫手勢輸入了 RSA 加密算法的公鑰和私鑰。這種完全脫離實(shí)體的交互方式，在物理層面上徹底隱藏了密鑰的輸入過程，提升了信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

其次是虛擬現(xiàn)實(shí)與游戲控制。在飛行避障游戲演示中，系統(tǒng)將隔空手寫的數(shù)字精準(zhǔn)映射為“左移”或“右移”指令。用戶僅憑一連串隔空手勢，即可準(zhǔn)確操控虛擬飛機(jī)，凸顯了系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的高識(shí)別準(zhǔn)確率和安全信息傳輸能力。

最后是實(shí)物遠(yuǎn)程控制。研究人員將傳感器與微控制器和智能小車連接。當(dāng)用戶在空氣中寫“1”時(shí)，小車直行；寫“11”時(shí)，小車右轉(zhuǎn)。在完整演示中，小車通過一系列非接觸指令，順利完成包含兩次轉(zhuǎn)彎的賽道任務(wù)。

（來源：上述論文）

從 2016 年觀察到濕氣發(fā)電的現(xiàn)象，到如今將其轉(zhuǎn)化為非接觸式手勢交互的物理接口，沈道智已在這一領(lǐng)域深耕十年，見證了技術(shù)的變遷。

“一方面是材料的迭代。過去 10 年來，納米技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展為濕氣發(fā)電帶來了很多新的可能性。從最開始用的一些傳統(tǒng)的材料，到后來聚合物材料的發(fā)展，為濕氣發(fā)電注入了新的活力。比如在提高功率輸出和實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定性方面，新材料都展現(xiàn)出了一些突出的優(yōu)勢。”

沈道智補(bǔ)充道，“另一方面是結(jié)構(gòu)的迭代。以前可能主要是三明治結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我們會(huì)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如與其他能量形式耦合的復(fù)合發(fā)電結(jié)構(gòu)，特殊結(jié)構(gòu)讓器件能夠在極端環(huán)境下工作，比如水下環(huán)境。”

但客觀而言，目前濕氣發(fā)電的局限性也比較明顯，主要集中在兩個(gè)方面：

第一個(gè)是功率輸出。隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的提升，濕氣發(fā)電的功率確實(shí)在不斷進(jìn)步，但總體來說，輸出功率仍然偏低，效率也有待提高。

第二個(gè)是長期穩(wěn)定性。從文獻(xiàn)報(bào)道來看，早期的濕氣發(fā)電器件可能只能持續(xù)工作幾秒鐘，后來發(fā)展到幾個(gè)小時(shí)，再到現(xiàn)在已經(jīng)有研究能做到幾個(gè)月。但是，如果要實(shí)現(xiàn)幾年甚至更長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出，這仍然是一個(gè)需要解決的瓶頸問題。

未來，沈道智計(jì)劃將器件從理想的實(shí)驗(yàn)室溫床推向溫濕度多變、氣流復(fù)雜的真實(shí)物理環(huán)境。而在更長遠(yuǎn)的愿景中，他計(jì)劃將這項(xiàng)零功耗、非接觸的底層技術(shù)，與具身智能、人機(jī)交互等結(jié)合，去探尋更多不一樣的可能性。

1.Shen D, Luo H, Zhao G, Han Z, Yang Z, Le X, Su Y, Ma R, Zhu L. Moisture-driven, self-powered noncontact sensing interfaces via turbulence-tailored hygroelectronic effect. Sci Adv. 2026 Apr 17;12(16):eaee7050. doi: 10.1126/sciadv.aee7050.

排版：胡莉花

注：封面/首圖由 AI 輔助生成