湿气发电手势操控评测：上交团队人机交互

当人机交互彻底摆脱电池、摄像头与雷达的束缚，仅凭手势在空中挥动即可完成指令，未来的智能生活将迎来怎样的颠覆性场景？

一项突破性成果给出了答案。上海交通大学机械与动力工程学院沈道智副教授团队在《Science Advances》上发表了一项研究，成功打造出基于湿气发电的人机交互界面，能够在8厘米范围内精准识别隔空手势。无需电池、无需物理接触，仅凭手掌在空气中滑动，即可控制设备——密码输入、VR操作、遥控小车，皆可实现。

“我们致力于挖掘湿气发电在功能层面的潜力。将湿气发电用于隔空非接触式交互，本质上是把供电元件转化为功能元件的关键转折，这是一次极具价值的尝试。”沈道智向DeepTech表示。

沈道智的研究方向覆盖智能识别、能量采集、微纳器件与原子级制造。他本科毕业于华中科技大学材料学专业，博士毕业于清华大学机械工程系，之后在滑铁卢大学完成了三年博士后研究，研究领域横跨材料、机械、化学与电子。

踏足湿气发电领域，源于一次偶然的实验室经历。在滑铁卢大学期间，一个实验样品未能达到预期效果，沈道智无意间对着器件吹了一口气。这个极其自然的动作，竟让仪器清晰捕捉到电压信号。这次意外发现，让他正式迈入当时尚属“小众而有趣”的科研赛道。尽管后续做了大量探索，但时至今日，学术界对湿气发电的底层机理仍存在争议。

采访中，沈道智反复强调“要做一些不一样的东西”。从最初的空气湿气发电，到跨越介质实现水下湿气发电，再到将其转化为非接触手势交互的物理接口，他的研究边界不断扩展。

8厘米隔空精准识别手势

2015年，湿气中发电的能力首次通过实验验证，随后引发广泛关注。“湿气发电的核心优势体现在两点：第一是极强的普适性。依托全球水循环，无论是湿润的雨林还是干燥的沙漠，空气中始终含有水分子，这意味着它几乎在任何环境中都能随时获取能量。第二是绿色环保。水是自然界最天然的物质，发电过程零污染、不消耗稀有资源，高度契合可持续发展理念。”沈道智解释道。

2016年左右，沈道智团队观察到湿气发电相关现象。2018年，他们在《Advanced Materials》发文，证明湿气发电可直接为传感器供电。2024年回国独立建组后，他始终思考“做一些不一样的东西”。同年，他率先将湿气发电拓展至水下，利用防水透气膜与离子化水凝胶制备了水下发电装置，并验证了水下无线信号传输的可行性。

突破极端环境限制后，团队将目光投向湿气发电与人机交互的融合。

传统人机交互面临两大难题：一是接触式设备（如触摸屏、力反馈手套），操作直观但长期使用存在卫生隐患与机械磨损，尤其在公共场合或医疗场景风险突出；二是非接触式技术（如电容、光学、热电传感器），虽避免物理接触，但需持续供电，电池笨重、需频繁更换，还存在锂电池泄漏或爆炸等安全风险。

在这项研究中，团队巧妙设计了一种水凝胶薄膜，厚度仅约80微米，成分包括聚乙醇酸（PGA）、纤维素纳米纤维（CNF）、盐和有机酸，内部布满微孔，可自发吸收环境空气中的水分子。当水凝胶薄膜吸收水分子后，PGA和有机酸上的大量羧基（-COOH）解离，释放出自由移动的氢离子（H+），较大阴离子则固定在聚合物网络中，形成离子浓度梯度，从而产生电势与电流。

图 | 风作用下反向电离机制示意图（来源：上述论文）

研究人员发现，这种依靠水分子吸收的发电过程虽输出稳定，但对周围极微弱的气流扰动异常敏感。顺着这一线索，团队发现了全新物理机制——湍流调控的湿电效应。

当手指在装置上方数厘米处移动时，手指搅动空气形成局部湍流。这种湍流同时引发两种变化：一是水凝胶表面局部湿度短暂下降，二是局部空气压力轻微增加。两种效应共同影响装置内部离子迁移，使输出电压产生特征性波动。不同手势或数字对应的波形截然不同——例如写数字“0”时呈现双峰双谷波形，写“1”时则为单峰单谷。更令人惊喜的是，该信号在手指距离装置2至8厘米范围内持续稳定，即便环境湿度在30%至70%之间波动，关键特征也不会丢失。除阿拉伯数字外，系统还能解码字母与单词——手写“Sad”“Happy”“ILoveSJTU”均产生独特输出波形，忠实反映每个手写单词的特征。

针对环境因素干扰，沈道智认为实际场景中干扰必然存在，关键在于排除。外界气流产生的电压信号往往无序、随机，而有意识的手势输出信号具有规律性。“通过算法，可以对这种规律信号进行解构与解析，从而排除不稳定、随机、无规律的信号干扰。”

图 | 非接触式识别（来源：上述论文）

团队采用一维卷积神经网络（1D-CNN）与支持向量机（SVM）两种模型对非接触手写信号进行解码。即使每类手势仅用约20个样本训练，1D-CNN模型对0到9阿拉伯数字的识别准确率可达91.5%；SVM模型则能将准确率提升至99%。

三大场景验证产业化可行性

研究团队在多个场景中测试了该技术。

首先是加密信息传输。传统加密通信高度依赖实体按键输入密钥或密码，不仅需持续硬件供电，还面临物理磨损暴露、接触式窃听等安全风险。这项技术提供了完全隐秘的解法：用户可在无任何物理连接和外部电源的情况下，仅凭隔空手势输入加密密钥。在概念验证系统中，用户通过无接触手写手势输入RSA加密算法的公钥与私钥。这种完全脱离实体的交互方式，从物理层面彻底隐藏了密钥输入过程，极大提升信息传输安全性。

其次是虚拟现实与游戏控制。在飞行避障游戏演示中，系统将隔空手写的数字精准映射为“左移”或“右移”指令。用户仅凭一连串隔空手势即可准确操控虚拟飞机，凸显了系统的高识别准确率与安全信息传输能力。

最后是实物远程控制。研究人员将传感器与微控制器及智能小车连接。当用户在空气中写“1”时，小车直行；写“11”时，小车右转。完整演示中，小车通过一系列非接触指令，顺利完成包含两次转弯的赛道任务。

（来源：上述论文）

从2016年观察到湿气发电现象，到如今将其转化为非接触手势交互的物理接口，沈道智在这一领域深耕十年，见证了技术迭代。

“一方面是材料迭代。过去10年，纳米技术与材料科学为湿气发电带来诸多新可能。从最初的传统材料，到后来聚合物材料的发展，为湿气发电注入了新活力——尤其在提高功率输出与实现长期稳定性方面，新材料展现出突出优势。另一方面是结构迭代。以前以三明治结构、平面结构为主，现在则设计更复杂的结构，例如与其他能量形式耦合的复合发电结构，特殊结构使器件能在极端环境（如水下）正常工作。”

客观而言，湿气发电仍存在两大局限性：

第一是功率输出。随着技术发展，湿气发电功率虽不断进步，但总体输出偏低，效率有待提升。第二是长期稳定性。早期湿气发电器件仅能持续工作数秒，后来发展到数小时，如今已有研究实现数月。但要实现数年甚至更长时间的稳定功率输出，仍是亟待突破的瓶颈。

未来，沈道智计划将器件从理想的实验室环境推向温湿度多变、气流复杂的真实物理场景。在更长远的愿景中，他计划将这项零功耗、非接触的底层技术与具身智能、人机交互结合，探索更多不一样的可能性。

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.