人机交互不再依赖电池，上交团队靠空气湿气发电，划个手势就能操控设备
当人机互动不再依赖电池、摄像头、雷达，仅靠手势控制，未来的智能生活将迎来怎样的变革？
近日，上海交通大学机械与动力工程学院沈道智副教授团队在 Science Advances 发表突破性成果， 他们 开发了一款基于湿气发电，隔空 8 厘米就能精准识别手势的人机交互界面 ，不用电池、不用触摸，靠手在空气中划几下就能控制设备，输密码、玩 VR 、遥控小车。
“ 我们想要挖掘湿气发电在功能方面的潜力。用湿气发电做隔空交互、非接触式交互技术，其实就是一次从供电元件到功能元件的转折，也是一次非常有意义的尝试。 ” 沈道智告诉 DeepTech 。
沈道智的研究方向包括智能识别、能量收集、微纳器件，以及原子级制造。他本科毕业于 华中科技大学材料学专业，博士毕业于清华大学机械工程系，曾在滑铁卢大学进行过为期 3 年的博士后研究。覆盖了材料、机械、化学、电子等多个领域。
关注到湿气发电这一领域源于沈道智在滑铁卢大学期间的一次偶然转折，过程极具戏剧性。当时，面对一个未能达到预期效果的实验样品，他进行了一次看似随意的尝试 —— 顺手对着器件吹了一口气。
正是这一极其自然的动作，带来了意想不到的反馈：仪器清晰地监测到了电压信号。这次偶然的发现，让他正式切入了这个当时还显得有些 “ 小众且有趣 ” 的科研赛道。不过，即便团队后续做了大量的探索与研究，时至今日，学术界对于湿气发电的底层机理解释仍然存在一定的争论。
在采访的过程中，沈道智始终强调 “ 要做一些不一样的东西 ” 。从最初的空气湿气发电，到跨越介质实现水下湿气发电，再到如今将其转化为非接触式手势交互的物理接口。他正不断向外拓展着自己的研究边界。
8 厘米隔空读懂每一个手势
2015 年，从湿气 中发电的能力首次通过实验证实，此后引起了广泛关注。 “ 湿气发电的核心优势主要体现在两点。 首先是 极强的普适性 。 基于全球水循环，无论是湿润的雨林还是极度干燥的沙漠，空气中始终蕴藏着水分子，这意味着它在几乎任何环境下都能随时获取能量； 其次 是绿色环保 。 水是自然界最天然的物质，发电过程既不产生污染，也不消耗稀有资源，高度契合可持续发展的理念。 ” 沈道智表示。
2016 年左右，沈道智及团队 观察到了湿气发电的相关现象。直到 2018 年， 他们在 Advanced Materials 发文， 证明湿气发电可直接给传感器供电。
2022 年回国独立建组后，沈道智一直想 “ 做一些不一样的东西 ” 。 2024 年，他率先将湿气发电拓展到了水下，他们利用防水透气膜和离子化水凝胶制备了可在水下工作的湿气发电装置，并在水下无线信号传输方面进行了可行性验证。
突破了极端环境的限制后，沈道智团队并未停止对湿气发电应用边界的探索。他们将目光投向了湿气发电和人机交互的结合领域。
传统的人机交互技术面临两大难题。一是接触式设备，比如触摸屏或力反馈手套，虽然操作直观，但长期使用会带来卫生隐患和机械磨损，尤其在公共场合或医疗环境中风险更高。二是非接触式技术，如基于电容、光学或热电的传感器，虽然避免了物理接触，但往往需要持续供电，电池笨重、需要频繁更换，还存在安全隐患，如锂电池泄漏或爆炸。
在这项研究中， 为了实现能够从环境湿气中发电的电子器件， 研究团队巧妙地设计了一种水凝胶薄膜，只有约 80 微米厚，组分包括聚乙醇酸（ PGA ）、纤维素纳米纤维（ CNF ）、盐和有机酸，内部布满了微孔，能够在环境空气中自发吸收水分子。
当水凝胶薄膜吸收空气中的水分子后， PGA 和有机酸上的大量羧基（ -COOH ）会发生解离，释放出自由移动的氢离子（ H+ ），而较大阴离子被固定在聚合物网络中，形成离子浓度梯度，从而产生电势及相关的电流。