當人機互動不再依賴電池、攝像頭、雷達，僅靠手勢控制，未來的智能生活將迎來怎樣的變革？

近日，上海交通大學機械與動力工程學院沈道智副教授團隊在 Science Advances 發表突破性成果，他們開發了一款基于濕氣發電，隔空 8 厘米就能精準識別手勢的人機交互界面，不用電池、不用觸摸，靠手在空氣中劃幾下就能控制設備，輸密碼、玩 VR、遙控小車。

“我們想要挖掘濕氣發電在功能方面的潛力。用濕氣發電做隔空交互、非接觸式交互技術，其實就是一次從供電元件到功能元件的轉折，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別、能量收集、微納器件，以及原子級制造。他本科畢業于華中科技大學材料學專業，博士畢業于清華大學機械工程系，曾在滑鐵盧大學進行過為期 3 年的博士后研究。覆蓋了材料、機械、化學、電子等多個領域。

關注到濕氣發電這一領域源于沈道智在滑鐵盧大學期間的一次偶然轉折，過程極具戲劇性。當時，面對一個未能達到預期效果的實驗樣品，他進行了一次看似隨意的嘗試——順手對著器件吹了一口氣。

正是這一極其自然的動作，帶來了意想不到的反饋：儀器清晰地監測到了電壓信號。這次偶然的發現，讓他正式切入了這個當時還顯得有些“小眾且有趣”的科研賽道。不過，即便團隊后續做了大量的探索與研究，時至今日，學術界對于濕氣發電的底層機理解釋仍然存在一定的爭論。

在采訪的過程中，沈道智始終強調“要做一些不一樣的東西”。從最初的空氣濕氣發電，到跨越介質實現水下濕氣發電，再到如今將其轉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手勢

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

2016 年左右，沈道智及團隊觀察到了濕氣發電的相關現象。直到 2018 年，他們在 Advanced Materials 發文，證明濕氣發電可直接給傳感器供電。

2022 年回國獨立建組后，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電裝置，并在水下無線信號傳輸方面進行了可行性驗證。

突破了極端環境的限制后，沈道智團隊并未停止對濕氣發電應用邊界的探索。他們將目光投向了濕氣發電和人機交互的結合領域。

傳統的人機交互技術面臨兩大難題。一是接觸式設備，比如觸摸屏或力反饋手套，雖然操作直觀，但長期使用會帶來衛生隱患和機械磨損，尤其在公共場合或醫療環境中風險更高。二是非接觸式技術，如基于電容、光學或熱電的傳感器，雖然避免了物理接觸，但往往需要持續供電，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。

在這項研究中，為了實現能夠從環境濕氣中發電的電子器件，研究團隊巧妙地設計了一種水凝膠薄膜，只有約 80 微米厚，組分包括聚乙醇酸（PGA）、纖維素納米纖維（CNF）、鹽和有機酸，內部布滿了微孔，能夠在環境空氣中自發吸收水分子。

當水凝膠薄膜吸收空氣中的水分子后，PGA 和有機酸上的大量羧基（-COOH）會發生解離，釋放出自由移動的氫離子（H+），而較大陰離子被固定在聚合物網絡中，形成離子濃度梯度，從而產生電勢及相關的電流。

圖 | 風作用下反向電離機制示意圖（來源：上述論文）

研究人員觀察到，這種依靠水分子吸收來發電的過程，雖然輸出穩定，但對周圍極微弱的氣流擾動異常敏感。正是順著這一線索，研究團隊發現了全新的物理機制——湍流調控的濕電效應。

當人的手指在裝置上方幾厘米處移動時，手指會攪動周圍空氣，形成局部湍流。這種湍流會帶來兩個同時發生的變化：一是導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。這兩種效應共同作用于裝置內部的離子遷移，最終使輸出電壓產生特征性的波動。不同手勢/數字，波形完全不一樣。

比如寫數字“0”時，會產生雙峰雙谷的波形；寫“1”時則是單峰單谷。令人驚喜的是，這種信號在手指距離裝置 2-8 厘米范圍內都非常穩定，即使環境濕度在 30%-70% 之間波動，也不會丟失關鍵特征。

除了阿拉伯數字，還能解碼字母和單詞。比如手寫“Sad”“Happy”和“ILoveSJTU”會產生不同的輸出波形，忠實地反映了每個手寫單詞的特征。

對于環境中不同因素的影響，沈道智認為在實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，外界氣流影響產生的電壓信號，可能是無序的、隨機的，而一個有意識的手勢輸出所產生的信號，是有一定規律的。“通過一些算法，我們可以對這種有規律的信號進行解構和解析，從而排除那些不穩定的、隨機性的、無規律的信號干擾。”

圖 | 非接觸式識別（來源：上述論文）

團隊采用一維卷積神經網絡（1D-CNN）與支持向量機（SVM）兩種模型，對非接觸手寫信號進行了解碼。即使每類手勢只用約 20 個樣本訓練，1D-CNN 模型對于 0-9 阿拉伯數字的識別準確率也能達到 91.5%；換成 SVM 模型，識別準確率能達到 99%。

三大場景驗證產業化潛力

研究團隊將這項技術在多個場景中進行了測試。

首先是加密信息傳輸。傳統的加密通信高度依賴實體按鍵來輸入密鑰或密碼，這不僅需要持續的硬件供電，還極易面臨物理磨損暴露、接觸式竊聽等安全隱患。該技術提供了一種絕對隱秘的解法，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。

在概念驗證系統中，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，提升了信息傳輸的安全性。

其次是虛擬現實與游戲控制。在飛行避障游戲演示中，系統將隔空手寫的數字精準映射為“左移”或“右移”指令。用戶僅憑一連串隔空手勢，即可準確操控虛擬飛機，凸顯了系統所實現的高識別準確率和安全信息傳輸能力。

最后是實物遠程控制。研究人員將傳感器與微控制器和智能小車連接。當用戶在空氣中寫“1”時，小車直行；寫“11”時，小車右轉。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彎的賽道任務。

（來源：上述論文）

從 2016 年觀察到濕氣發電的現象，到如今將其轉化為非接觸式手勢交互的物理接口，沈道智已在這一領域深耕十年，見證了技術的變遷。

“一方面是材料的迭代。過去 10 年來，納米技術和材料科學的發展為濕氣發電帶來了很多新的可能性。從最開始用的一些傳統的材料，到后來聚合物材料的發展，為濕氣發電注入了新的活力。比如在提高功率輸出和實現長期穩定性方面，新材料都展現出了一些突出的優勢。”

沈道智補充道，“另一方面是結構的迭代。以前可能主要是三明治結構、平面結構，現在我們會設計更復雜的結構，比如與其他能量形式耦合的復合發電結構，特殊結構讓器件能夠在極端環境下工作，比如水下環境。”

但客觀而言，目前濕氣發電的局限性也比較明顯，主要集中在兩個方面：

第一個是功率輸出。隨著技術的發展和需求的提升，濕氣發電的功率確實在不斷進步，但總體來說，輸出功率仍然偏低，效率也有待提高。

第二個是長期穩定性。從文獻報道來看，早期的濕氣發電器件可能只能持續工作幾秒鐘，后來發展到幾個小時，再到現在已經有研究能做到幾個月。但是，如果要實現幾年甚至更長時間持續穩定的功率輸出，這仍然是一個需要解決的瓶頸問題。

未來，沈道智計劃將器件從理想的實驗室溫床推向溫濕度多變、氣流復雜的真實物理環境。而在更長遠的愿景中，他計劃將這項零功耗、非接觸的底層技術，與具身智能、人機交互等結合，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