人机交互不再依赖电池，上交团队靠湿气发电，划手势就能操控设备

当人机互动不再依赖电池、摄像头、雷达，仅靠手势控制，未来的智能生活将迎来怎样的变革？

先来看一个有意思的突破。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 上发表了一项成果，他们开发了一款基于湿气发电的人机交互界面，隔空8厘米就能精准识别手势。不用电池、不用触摸，手在空气中划几下就能控制设备——输密码、玩VR、遥控小车，全不在话下。

“我们想挖掘湿气发电在功能方面的潜力。用湿气发电做隔空交互、非接触式交互技术，本质上是从供电元件向功能元件的转折，一次很有意义的尝试。”沈道智告诉DeepTech。

沈道智的研究方向涵盖智能识别、能量收集、微纳器件以及原子级制造。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，后在滑铁卢大学进行了三年博士后研究，横跨材料、机械、化学、电子等多个领域。

切入湿气发电这个方向，其实源于一次偶然。在滑铁卢大学期间，一个实验样品没有达到预期效果，沈道智随手对着器件吹了一口气。这一极其自然的动作，竟让仪器清晰地监测到了电压信号。这次偶然的发现，让他正式踏入了当时还显得有些“小众且有趣”的科研赛道。不过，即便后续做了大量探索，时至今日，学术界对于湿气发电的底层机理解释仍存在一定争论。

在采访中，沈道智始终强调“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式手势交互的物理接口，他的研究边界在不断拓展。

8厘米隔空读懂每一个手势

2015年，湿气中发电的能力首次通过实验证实，此后引起广泛关注。“湿气发电的核心优势主要体现在两点。首先是极强的普适性。基于全球水循环，无论是湿润的雨林还是极度干燥的沙漠，空气中始终蕴藏着水分子，这意味着它在几乎任何环境下都能随时获取能量。其次是绿色环保。水是自然界最天然的物质，发电过程既不产生污染，也不消耗稀有资源，高度契合可持续发展的理念。”沈道智表示。

2016年左右，沈道智及团队观察到了湿气发电的相关现象。直到2018年，他们在 Advanced Materials 发文，证明湿气发电可直接给传感器供电。2024年回国独立建组后，他一直在想“做一些不一样的东西”。同年，他率先将湿气发电拓展到了水下，利用防水透气膜和离子化水凝胶制备了可在水下工作的发电装置，并验证了水下无线信号传输的可行性。

突破了极端环境的限制后，团队又将目光投向了湿气发电和人机交互的结合领域。

传统人机交互技术面临两大难题。一是接触式设备，比如触摸屏或力反馈手套，虽然操作直观，但长期使用会带来卫生隐患和机械磨损，在公共场合或医疗环境中风险尤其突出。二是非接触式技术，如基于电容、光学或热电的传感器，虽然避免了物理接触，但往往需要持续供电，电池笨重、需要频繁更换，还存在锂电池泄漏或爆炸等安全隐患。

在这项研究中，为了实现从环境湿气中发电的电子器件，团队巧妙设计了一种水凝胶薄膜，厚度仅约80微米，组分包括聚乙醇酸（PGA）、纤维素纳米纤维（CNF）、盐和有机酸，内部布满了微孔，能够在环境空气中自发吸收水分子。当水凝胶薄膜吸收空气中的水分子后，PGA和有机酸上的大量羧基（-COOH）会发生解离，释放出自由移动的氢离子（H+），而较大阴离子被固定在聚合物网络中，形成离子浓度梯度，从而产生电势和电流。

图 | 风作用下反向电离机制示意图（来源：上述论文）

研究人员观察到，这种依靠水分子吸收来发电的过程，虽然输出稳定，但对周围极微弱的气流扰动异常敏感。顺着这一线索，团队发现了全新的物理机制——湍流调控的湿电效应。

当人的手指在装置上方几厘米处移动时，手指会搅动周围空气，形成局部湍流。这种湍流会带来两个同时发生的变化：一是水凝胶表面局部湿度短暂下降，二是轻微增加局部空气压力。两种效应共同作用于装置内部的离子迁移，最终使输出电压产生特征性波动。不同手势或数字，波形完全不一样。比如写数字“0”时，出现双峰双谷的波形；写“1”时则是单峰单谷。令人惊喜的是，这种信号在手指距离装置2到8厘米范围内都非常稳定，即使环境湿度在30%到70%之间波动，关键特征也不会丢失。除了阿拉伯数字，还能解码字母和单词——手写“Sad”“Happy”和“ILoveSJTU”都会产生不同的输出波形，忠实地反映每个手写单词的特征。

对于环境中不同因素的影响，沈道智认为实际场景中干扰肯定存在，关键是排除干扰。在他看来，外界气流影响产生的电压信号可能是无序的、随机的，而有意识的手势输出所产生的信号是有规律的。“通过一些算法，可以对这种有规律的信号进行解构和解析，从而排除那些不稳定、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了解码。即使每类手势只用约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也能达到91.5%；换成SVM模型，识别准确率能达到99%。

三大场景验证产业化潜力

研究团队将这项技术在多个场景中进行了测试。

首先是加密信息传输。传统的加密通信高度依赖实体按键来输入密钥或密码，不仅需要持续硬件供电，还极易面临物理磨损暴露、接触式窃听等安全隐患。这项技术提供了一种完全隐秘的解法：用户可以在没有任何物理连接和外部电源的情况下，仅通过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了RSA加密算法的公钥和私钥。这种完全脱离实体的交互方式，在物理层面彻底隐藏了密钥输入过程，大大提升了信息传输的安全性。

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和安全信息传输能力。

最后是实物远程控制。研究人员将传感器与微控制器和智能小车连接。当用户在空气中写“1”时，小车直行；写“11”时，小车右转。在完整演示中，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式手势交互的物理接口，沈道智在这一领域深耕十年，见证了技术的变迁。

“一方面是材料的迭代。过去10年来，纳米技术和材料科学为湿气发电带来了很多新可能性。从最开始用的传统材料，到后来聚合物材料的发展，为湿气发电注入了新活力。比如在提高功率输出和实现长期稳定性方面，新材料都展现出突出优势。另一方面是结构的迭代。以前可能主要是三明治结构、平面结构，现在会设计更复杂的结构，比如与其他能量形式耦合的复合发电结构，特殊结构让器件能够在极端环境下工作，比如水下环境。”

但客观而言，湿气发电的局限性也比较明显，主要集中在两个方面：

第一个是功率输出。随着技术发展和需求提升，湿气发电的功率确实在不断进步，但总体输出仍然偏低，效率有待提高。第二个是长期稳定性。从文献报道看，早期湿气发电器件可能只能持续工作几秒钟，后来发展到几个小时，现在已经有研究能做到几个月。但如果要实现几年甚至更长时间持续稳定的功率输出，这仍然是需要解决的瓶颈问题。

未来，沈道智计划将器件从理想的实验室温床推向温湿度多变、气流复杂的真实物理环境。而在更长远的愿景中，他计划将这项零功耗、非接触的底层技术，与具身智能、人机交互等结合，去探寻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.