研究背景

人工智能和元宇宙技术的兴起推动了人机交互方式的变革，从传统的刚性按钮和面板转变为拥有前所未有性能的软性界面电子设备。然而，目前大多数用户交互界面仍然依赖于物理触摸以获取信号，这对于在极端温度、有毒化学物质或生物病毒环境中的人类已经不再适用。同时，物理接触所造成的不可避免损坏也削弱了用户交互界面的耐用性。相比之下，无需身体接触即可感知和可视化人类刺激的非接触式交互界面能够克服物理接触的局限性，对于模拟或超越人类感知来说非常理想，为人们提供了一种更加便捷且安全的智能人机交互方式。然而，要实现大规模非接触式交互界面的制备，并使其具备快速响应、高空间分辨率、多色光发射、动态显示以及可拉伸性等特性，仍然面临着挑战。

研究成果

鉴于此，北京航空航天大学潘曹峰教授、深圳大学王春枫研究员等提出了一种基于动态交流电致发光（ACEL）的非接触发光交互传感显示器件（CUISD）。CUISD通过将具有高湿度响应性的水凝胶集成到ACEL中，从而利用湿度引起的电场分布变化，实现对非接触刺激的传感及发光显示。同时，作者采用静电纺丝制备了多层银纳米纤维电极，实现了可拉伸电极的制备；通过微纳加工制备图案化的发光层，从而实现了CUISD的可拉伸、大规模、高分辨率、多色彩和动态显示。作为概念验证，CUISD被用于遥控小车的非接触、实时操控，其通过对非接触式手指运动诱发的发光信号进行识别和编码，从而发出特定指令实现对遥控小车的控制。此外，对呼吸的独特识别使CUISD成为信息交互的视觉信号发射器，可用于非接触、可视化的人人交互，这对残疾人交互尤其有益。该工作以“Contactless user-interactive sensing display for human–human and human–machine interactions”为题近期发表在Advanced Materials上，论文第一作者为中国科学院大学纳米科学与工程学院博士生何家琪，共同通讯作者为北京航空航天大学潘曹峰教授和深圳大学王春枫研究员。

图文导读

图1. 非接触发光交互传感显示器的设计和工作机制

非接触发光交互显示器具有分层的结构设计，由顶部的湿度感应水凝胶层、中间的交变电流电致发光层和底部的多层银纳米纤维（Ag nanofibers, Ag NFs）电极组成。外界湿度变化引起水凝胶的电导率的变化，从而触发电致发光层的发光响应，促进非接触式传感和显示。

Figure 1.Design and working mechanism of the CUISD. a) Schematic of the stretchable large-area CUISD. b) Exploded view of an individual pixel of the CUISD. c) Schematic and scanning electron microscopy (SEM) images of the hollow Ag NFs embedded in PDMS. d-i) Photograph of the CUISD at the RH of 20% after the power was turned on. d-ii) Top view of the CUISD at 80% RH after the power was turned on. d-iii) Bottom view of the CUISD at 80% RH after the power was turned on. d-iv) Photograph of the CUISD responding to fingertip proximity at 20% RH after the power was turned on. e) Schematic of the working mechanism of the CUISD.

图2. 用于非接触发光交互传感显示器的多层银纤维电极

开发可拉伸透明电极是实现高性能本征可拉伸非接触发光交互显示器的关键。受蚕丝天然高透明度和优异拉伸性能的启发，作者通过静电纺丝、磁控溅射、光刻、湿法蚀刻和转移等工艺制备了具有中空结构的多层银纳米纤维电极，从而保证了非接触发光交互显示器的柔性与可拉伸性制备。

Figure 2. Multilayered Ag NF electrode for the CUISD. a) SEM images of the patterned Ag NF electrode. b) SEM images of the Ag NF electrode with different numbers of Ag NFs layers. c) The conductive atomic force microscopy (C-AFM) image of the Ag NFs after being transferred from the glass to the PDMS substrate. d) AFM images of the Ag NFs before and after embedding in PDMS. e) Optical images of the Ag NF electrode upon different deformations, showing its mechanical compliance and transparency. f) Diameter distribution of the Ag NFs. g) The relative resistance changes (ΔR/R0) of the Ag NF electrodes with different numbers of layers during stretching. h) Thickness and square resistance of the Ag NF electrodes with different numbers of layers. i) Transmission spectra of the Ag NF electrodes with different numbers of layers. j, k) ΔR/R0 of a three-layer Ag NF electrode under bending or twisting at different angles, respectively. i) Stability of a three-layer Ag NF electrode under different stretching cycles.

图3. 非接触发光交互传感显示器的制造和表征

在制备的三层Ag NFs电极的基础上，作者通过依次构建介电层、发光层和感应层的策略实现了完整的器件的制备。嵌入PDMS的三层Ag NFs电极以PDMS作为基底，因此，为了保证整个器件的同质性以实现完整器件的全可拉伸性，作者选择PDMS与功能型材料复合的策略来构建介电层和发光层，从而确保了非接触发光交互显示器具有优异的可拉伸性能。

Figure 3. Fabrication and characterizations of the CUISD. a) Schematic of a CUISD pixel. b,c) Cross-section SEM image and EDS mapping images of the CUISD, respectively. d) Permittivity of different dielectric materials. e) Stress-strain curves of different dielectric materials. f) Fourier transform infrared (FTIR) spectra of the hydrogel sensing layer before and after the absorption of water molecules. g) Stress-strain curves of the CUISD device under cyclic stretching. h) Optical images of the CUISD under different RH levels at a strain of 0% and 50%. i) Luminescence intensity and conductivity of the CUISD under different RH. j) Response times of the CUISD to rapid humidity changes. k) Luminescence of the CUISD device under different applied strains at 80% RH. l, m) Response behaviors of the CUISD device to the approach of a fingertip. n) Luminescence intensity of the CUISD with the finger approach and contact.

图4. 用于动态显示和运动跟踪的大规模、高分辨率和多色的非接触发光交互显示器

动态显示是指显示屏能产生图案或颜色变化的交互信号，它能给用户带来更直观的视觉冲击，增强用户体验。通过对非接触发光交互显示器工作机理的进一步研究，作者设计出了一种可随湿度变化而实现动态图案变化的非接触发光交互显示器，并实现了具有大规模、高分辨和多色功能的非接触发光交互显示器的制备。

Figure 4. CUISD for dynamic display and motion tracking. a) Schematic of the working mechanism and simulation of the dynamic display of the CUISD. b) Optical images of CUISD with the dynamic transition of images. c) Optical images of CUISD with simultaneous dynamic display and color changes. d) Optical images of a high resolution CUISD with 7569 pixels arranged in an area of 3.4Í3.4 cm2. e) Spatial mapping of fingertip moisture. f) Three-dimensional intensity profile of the corresponding luminous pixels. g, h) Large-scale multicolor CUISD for multi-finger sensing. i) Flowchart of the humidity-induced luminescence signal recognition method. j) Logic commands and corresponding actions of the RC car. k) Precise control of an RC car to carry an object using the CUISD.

图5. 非接触发光交互显示器用于基于呼吸信号的人机交互系统

通过将非接触发光交互显示器与面罩相结合制备了一种呼吸监测器件，并进一步开发了一种非接触发光交互系统，其能够将呼吸信号转换成光信号输出并进行编码，以传递包含编码信息的可视化发光信号，并通过光信号的采集与分析系统实现了人与人以及人与机器之间的互动，这对于身体和感官有缺陷的人群的之间交流以及他们所使用的人机交互界面的便捷性具有非常重要的意义。

Figure 5. CUISD for breath-based interaction systems. a) Mask integrated with a CUISD for breath-based interactions. b) Luminescence intensity of the CUISD mask under continuous exhalation and inhalation. c) Luminescence response of the CUISD mask under different breathing states. d) Conceptual diagram of the CUISD mask for human-human interaction and human-machine interactions. e, f) Morse codes generated by the CUISD mask for human-human communication. g) Infrared thermograms of the CUISD mask during oral and nasal exhalation. h) Relative capacity change of the CUISD mask during oral and nasal exhalation. i) Luminescence intensity of the CUISD mask during oral and nasal exhalation. j) Flowchart of the human-machine interaction system utilizing the respiratory signals. k) The binary data achieved by alternating nasal and oral breathing, delivering the information of “HELP” unambiguously.

创新点：

（1）研制了一种基于吸湿水凝胶的灵敏、稳定的传感方法，用于非接触式信号检测；

（2）制备一种基于静电纺丝银纳米纤维的可拉伸的显示设备，用于非接触式信号可视化，能够实现明亮、多色、高分辨率和大面积制备；

（3）开发一种非接触、有效和通用的基于光信号的信号处理方法，用于人、机、物之间的交互。

通讯作者简介

王春枫，深圳大学材料学院助理教授/特聘研究员、硕士生导师，深圳市高层次人才。长期从事光电功能材料及器件研究，在Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Matter、InfoMat、ACS Nano、Nano Energy、Science Bulletin等期刊发表文章60余篇，被引5900余次，累计ESI高被引文章16篇（含4篇hot paper）。曾获河南省自然科学一等奖、河南省优秀博士学位论文、深圳市海外高层次人才（孔雀计划C类）等荣誉。主持国家自然科学基金项目2项以及其他项目4项。申请专利11项，其中授权专利7项。担任Exploration等杂志青年编委。课题组长期联合招聘博士后，税后年薪34万以上，欢迎联系：cfwang@szu.edu.cn。

潘曹峰，北京航空航天大学蓝天杰出教授，博士生导师，国家杰青。2005、2010年分别在清华大学材料科学与工程系获学士、博士学位，2012年获得全国优秀博士学位论文奖。其后于美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院进行博士后和北京纳米能源与系统研究所研究员（2013-2023）。主要从事低维半导体传感材料、器件及机器人触觉应用研究。在Nat. Photon.、Chem. Rev.、Nat. Comm.、Adv. Mater.等期刊上发表SCI论文290余篇，引用27000多次。H因子90。获美国/中国授权发明专利40余项，河南省自然科学一等奖。入选QR计划青年项目（2014）、北京市海聚工程（2015）等；获得国家杰出青年科学基金（2021）和国家优秀青年科学基金（2016）等。先后主持国家重点研发计划，国家自然基金杰出青年基金、优秀青年基金、国自然联合基金重点项目，北京市科技创新计划、北京市自然基金重点项目，中科院院长基金等。现任Science Bulletin期刊材料学副主编和Nanotechnology副主编。中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。