从传统电器到智能机器人的蓬勃发展，人与机器的信息交流主要依赖于接触式传感器。但接触式人机交互会产生一些固有缺陷，如不可避免的造成机械磨损、疲劳、细菌或病毒在使用者之间的交叉感染等。因此，在COVID-19病毒肆虐全球期间，发展远程在线检测和非接触人机交互（HMI）是非常有必要的。根据需要检测的物理指标，智能传感器可分为压力、应变、温度、湿度、气体等类型的传感器。其中，利用空气中湿度场的变化，设计非接触式湿度传感器可以有效避免机械接触和细菌交叉感染。人体皮肤的含水量占人体总含水量的18-20%，因此可以利用人体皮肤表面的汗液作为湿度传感器远程非接触控制的刺激来源。目前，常用的湿度传感器的材料主要由刚性半导体组成，其刚度大、变形难、稳定性差，较难应用于医疗器械领域，因此非常希望通过合理的选材和结构设计来提高设备的灵活性和灵敏性，确保设备以任何物理形式无缝地适应各种可变形场合。
基于此，上海交通大学微纳电子系刘景全研究员、杨斌副研究员团队，通过将多层石墨烯（MG）负载到静电纺丝PA66纤维上，报道了一种用于哮喘检测的柔性MG/PA66湿度传感器（MPHS）（图1）。其中柔性MPHS的高灵敏度可归因于电纺PA66纤维的大比表面积和丰富的吸水性官能团。通过对水面和指尖附近不同距离的非接触试验的实验和理论探索，证实了MPHS有效可靠的非接触检测能力，成功实现了远程报警系统的哮喘检测和药物输送的非接触接口，开创了人机界面在医疗卫生领域的新的应用前景。该工作以“Flexible Noncontact Sensing for Human–Machine Interaction”为题发表在最新一期的《Advanced Materials》杂志上。
图1. i）不同应用的MPHS示意图；ii）用于哮喘检测和远程报警的呼吸湿度源；iii）接触细菌交叉感染刺激；iv）非接触药品输送接口。
1. 材料制备
湿度对物理性质的影响本质上是MPHS和空气之间界面上水分子的交换。因此，界面的比表面积和结构的亲水基团含量是影响水分敏感性的两个决定性因素。在此，作者通过静电纺丝获得了直径为数百纳米、具有大比表面积和尺寸增强效应的PA66纤维，如图2所示。这种微纳米级网络结构允许二维尺度MG通过超声波处理迁移并负载到PA66纤维表面，从而在相邻MG之间构建导电路径，表现出超敏感特性。
图2. 表征和湿度-电特性。a）制备MPHS的示意图；b）SEM图像和c）电纺PA66的EDS图谱；d）MG/PA66垫子的SEM图像；e，f）从40°C加热至120°C时PA66的温度依赖性FTIR光谱：e）3580-3050cm-1；f）1690-1590cm-1；g）PA66的TGA曲线（红色）和DTG曲线（蓝色），插图为120°C以下的放大图；h）0.1−90%RH范围内MPHS的滞后；i）RH的实时电阻响应范围为10%至90%，插图为50%RH下的循环性能；j）柔性MPHS在各种弯曲角度下的电阻稳定性，插图是弯曲角（θ）的定义；k）四种不同形式（扁平、折叠、扭曲和打结）的柔性MPHS示意图；l，m）在20和50%RH（l）之间的循环性能和相对电阻随相对湿度20%RH‐50%RH‐80%RH‐50%RH‐50%RH‐20%RH（m）的阶跃变化而变化。
2. 湿度敏感性
除了相当大的比表面积外，PA66作为典型的脂肪族聚酰胺，由于分子链中存在大量的胺基团，很容易与水分子形成氢键。此外，PA66是一种半结晶聚合物，利用水分子在晶区和非晶区的扩散度不同，集合超大比表面积对纤维网络物理结构的协同作用，提高了该湿度传感器的灵敏度，如图3所示。
图3. 水面上方MPHS湿度检测a）测量示意图；b）模拟25°C时水面上方的湿度分布；c，d）水面与MPHS之间的最小距离对1.5mm s–1速度下相对阻力变化的影响；e、f）最小距离为5mm的不同速度下MPHS的相对电阻；g）分别在25、40、50和60°C的水下温度下模拟水面上方的湿度分布；h，i）水温对1.5mm s-1（最小距离为5mm）相同速度下相对电阻的影响。
3. 透气性
具有优异透气性的生物相容性MPHS具有高湿度敏感性，使其能够监测人类呼吸和其他湿度相关行为，并及时反映适当的健康信息。这里，MPHS被安装在用于呼吸检测的面罩内（图4a）。当从嘴或鼻子呼出的空气通过MPHS时，携带的水蒸气分子被PA66纳米纤维捕获和吸收，这进一步刺激了导电网络，导致电信号的变化。人体的相应特性可以通过不同的信号信息如振幅、波形和频率来判断。例如，可以精确地测量咳嗽和鼻子呼吸行为，如图4b、c所示，并且在所有三种呼吸条件下获得平滑的呼吸信号。
图4. MPHS在人类呼吸监测和哮喘检测中的应用。a）安装在面罩内用于呼吸检测的MPHS照片；b–d）咳嗽（b）、通过不同速度和强度的鼻子呼吸（c）和通过不同强度的嘴巴呼吸（d）的检测信号；e）MPHS的示意图，用于说话时的人体呼出空气检测；f）MPHS对不同音节的单词的重复反应；g）通过实时监测呼吸速率，MPHS在哮喘检测中的实际应用；h）哮喘检测系统运行示意图，包括信号采集、处理和远程报警；i）MPHS检测到呼吸急促时，通过无线传输在手机上演示哮喘警报，并实时监测呼吸数据。
4. 人体皮肤传感
利用人体皮肤表面固有的湿度场，可建立非接触HMI，解决接触控制引起的细菌感染等问题，结果如图5所示。
图5. MPHS传感器阵列和非接触HMI的特性。a）指尖表面附近湿度分布的模拟结果；b）指尖表面附近MPHS的传感行为；c）相对电阻变化分布图，插图为传感器阵列上方一个手指相对位置的照片；d）手指在传感器阵列上的滑动轨迹，以及e，f）相对电阻变化分布的对应图（e）和相应MPHS单元的响应曲线（f）；g，h）显示MPHS传感器阵列（平面和曲面）的照片，该阵列通过非接触滑动姿态驱动机器人汽车；i）显示非接触式HMI系统中信号流程的电路图；j）机器人汽车运输操作的滑动姿态识别算法流程图。
结论
作者通过将MG负载到电纺PA66纤维上，开发了用于哮喘检测和非接触HMI系统高灵敏度MPHS。由于PA66纤维的大比表面积和分子链上丰富的吸水官能团，当暴露于可变湿度条件时，通过溶胀效应发生MG导电网络的分离和接触。MPHS准确的呼吸监测和手指非接触滑动手势的精确识别，保证了婴幼儿哮喘检测、远程报警系统和非接触控制HMI的实现，在医疗卫生领域具有广阔的应用前景。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100218
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