濕度傳感器作為一種基礎型可穿戴電子器件，能夠有效監測環境或人體皮膚表面的濕度變化。采用非接觸式傳感模式運行的濕度傳感器避免了接觸式傳感器常見的機械磨損和交叉感染等問題，在醫療監測、人機界面（HMI）、情緒分析、體育活動和安全生產等眾多領域展現出巨大的應用潛力。現階段的濕度傳感器普遍存在佩戴舒適度不足和皮膚刺激等問題，限制了其長期使用性。因此，開發具有超薄、高透氣性、快速濕度響應和高靈敏度特性的濕度傳感器，對于實現連續健康監測至關重要。
據麥姆斯咨詢報道，近期，上海大學張建華教授、趙婷婷副教授及其研究團隊開發出一種皮膚適形透氣濕度傳感器，該傳感器基于MXenes復合材料和具有圖案化電極的靜電紡絲彈性體納米纖維制備而成，不僅展現出優異的透氣性（0.078 g cm?2d?1）、高靈敏度（S = 704）和快速響應/恢復時間（0.9 s/0.9 s），還具備出色的皮膚適應性和生物相容性。此外，該傳感器還能實現運動狀態和情緒模式識別。這項研究為開發先進的非接觸式人機界面開辟了新的路徑。相關研究成果以“A skin-conformal and breathable humidity sensor for emotional mode recognition and non-contact human-machine interface”為題發表在npj Flexible Electronics期刊上。
圖1 本研究提出的皮膚適形透氣濕度傳感器示意圖及應用
這項研究所提出皮膚適形透氣濕度傳感器基于一種獨特的復合材料，即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物納米纖維（SBS NFs）和堿化MXenes/聚多巴胺（AMP）復合材料，簡稱為SAMP復合材料。其中，AMP因其較大的比表面積和豐富的吸水羥基而對水分子高度敏感，SBS NFs為支撐功能材料和電極提供了超薄、高柔性和高滲透性的基底。基于SBS NFs和AMP的協同效應，SAMP復合材料促進了具有高傳感性能的皮膚適形透氣濕度傳感器的實現。
圖2 基于SAMP的濕度傳感器的制備和表征
呼吸模式（例如呼吸深度和頻率）受人的運動和情緒狀態影響非常大。由于鼻子或嘴巴呼氣中的水分子含量很高，利用濕度傳感器可以通過監測呼吸模式來評估人的運動和情緒狀態。基于SAMP的濕度傳感器具有優異的透氣性和較高的濕度響應，可用于可穿戴設備來監測與濕度相關的行為。通過實驗演示，研究人員驗證了基于SAMP的濕度傳感器能夠準確檢測不同運動狀態下的呼吸變化，并識別四種不同的情緒模式。
圖3 基于SAMP的濕度傳感器在識別運動狀態和情緒模式中的應用
利用基于濕度模態的人機界面，通過手指皮膚天然的濕度場進行非接觸式操作，可以有效避免機械接觸帶來的細菌交叉感染。研究人員基于3 × 3濕度傳感器陣列開發了一種非接觸式人機界面，該界面能夠通過手指的非接觸式滑動來控制機器人小車的運動，展示了柔性人機界面在非接觸式控制領域的應用前景。
圖4 基于SAMP的濕度傳感器及其非接觸式人機界面應用
綜上所述，這項研究工作基于SAMP復合材料實現了具有高透氣性、高靈敏度和快速響應/恢復特性的濕度傳感器，為健康監測和非接觸式人機界面的研究發展提供了新的思路。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-023-00290-z
延伸閱讀：
《可穿戴技術及市場-2023版》
《可穿戴傳感器技術及市場-2022版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
《電子皮膚貼片技術及市場-2022版》
