基于湍流调制湿电效应的自供能非接触交互系统及方法
知识产权简介
本发明公开了一种基于空气湍流调制湿电效应的自供能非接触人机交互系统、装置及方法。所述装置包括设置于两电极之间的吸湿离子型多孔聚合物湿电功能层，电极包含阵列通孔或网格结构。装置在空气湿度作用下形成基础电势输出；外界物体在非接触运动时诱发局部空气湍流，引起装置表面局部湿度变化与气压扰动，从而调制离子解离与迁移过程并输出与运动轨迹相关的动态电信号。系统通过信号采集与预处理，将动态电信号输入机器学习模型获得手势/书写/命令识别结果，并输出控制指令实现信息输入、加密交互或远程控制。本发明无需外部电源，非接触操作，输出信号区分度高，适用于VR/AR交互、智能医疗及机器人控制等场景。
转化前景
人机交互界面（Human-machine interfaces, HMIs）是增强现实（augmented reality, AR）和虚拟现实（virtual reality, VR）系统功能拓展的关键组成部分，其通过对手部或指尖运动的反馈为用户提供多种交互体验。这类界面不仅是面向用户娱乐应用的重要基础，也在手术机器人、康复训练、信息交互、军事训练等领域展现出广阔应用前景。通过使用户能够利用简单的手势执行指令，HMI 可显著提升操作效率与用户体验。 目前，HMI 的交互反馈技术主要可分为两类：接触式器件与非接触式器件。接触式系统（例如利用力反馈触觉效应的方案）使用便捷，但由于存在物理接触，易引发卫生风险以及机械磨损问题。相比之下，基于电容变化、光子学效应以及热电效应等机制的非接触系统能够避免直接接触，从而缓解上述问题。然而，要使这些器件在较长时间内稳定工作，仍需要持续且可靠的电能供应。传统电池系统（如锂离子电池）通常刚性大、体积笨重且需要频繁更换，不仅增加系统集成难度，还可能带来泄漏或爆炸等安全隐患。近年来，太阳能、风能及机械能等环境能量采集技术作为可持续替代方案受到关注，但常常面临器件构型兼容性不足和系统搭建复杂等挑战。因此，开发兼具非接触感知能力的自供能能量采集系统至关重要，其可提升系统兼容性、降低结构复杂度、减少维护成本，并消除安全风险。这类系统有望利用环境能量实现交互反馈，同时避免传统供电方式的缺点。 在可再生能源中，环境湿气是一种储量丰富且可循环利用的能源，亦是地球上最大的自然能量库之一。自 2015 年首次被实验证明可通过湿气发电以来，从湿气中获取电能的能力便引起了广泛关注。湿气驱动发电（moisture-driven electricity generation, MEG）技术为下一代自供能电子器件提供了有前景的解决方案。该技术通过利用吸湿材料与水分之间的相互作用，使自由载流子发生迁移产生能量，并可进一步收集和转换为电能。目前，研究者主要通过调控官能团以增强吸水能力、提升离子迁移效率以及优化界面电荷迁移特性等方式来提高电输出。这类湿气诱导的电系统可用于为外部器件供电或作为自供能传感器。然而，此类器件在稳定水分流动条件下通常输出与湿度相关的直流（DC）信号，这使其在 HMI 场景中对多种复杂指令所对应的不同反馈进行感知与识别时面临挑战。因此，亟需一种能够在空气环境中工作、无需外部供电、可非接触感知、且输出信号具有足够区分度以支持智能算法识别的新型交互装置与方法。