上交团队利用湿气发电，划手势即可操控设备

当人机交互彻底摆脱电池、摄像头和雷达的束缚，仅凭手势控制便能实现，未来的智能生活将迎来怎样颠覆性的变革？

首先，让我们关注一项令人振奋的技术突破。上海交通大学机械与动力工程学院沈道智副教授团队在《科学进展》（Science Advances）上发表了一项最新研究成果：他们成功研发出一款基于湿气发电的人机交互界面，该界面可在8厘米的隔空距离内精准识别手势。无需任何电池，无需物理接触，只需在空气中轻松划动手势，便能精准控制各类设备——无论是密码输入、VR交互，还是遥控小车，皆可轻松实现。

“我们的核心目标是深入挖掘湿气发电在功能性应用方面的潜力。利用湿气发电技术实现隔空、非接触式交互，本质上是一次从‘供电元件’向‘功能元件’的重要转型。这是一次极具探索意义的尝试。”沈道智在采访中对DeepTech表示。

沈道智的研究领域覆盖面广泛，涵盖智能识别、能量收集、微纳器件及原子级制造。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，此后在加拿大滑铁卢大学进行了为期三年的博士后研究，学术背景横跨材料、机械、化学、电子等多个交叉学科。

他涉足湿气发电这一研究方向，源于一次偶然的实验室发现。在滑铁卢大学期间，一个实验样品未能达到预期的性能表现，沈道智下意识地对着器件轻轻吹了一口气。正是这个极其自然的动作，让仪器清晰地监测到了电压信号。这一次意外的发现，促使他正式踏入当时尚显“小众而有趣”的科研赛道。然而，尽管后续进行了大量探索，时至今日，学术界对于湿气发电的底层物理机制仍存在一定争议。

在采访中，沈道智反复强调：“一定要做出一些与众不同的东西。”从最初基于空气湿气的发电研究，到跨越介质实现水下湿气发电，再到将其成功转化为非接触式手势交互的物理接口，他的研究边界正在持续拓展。

8厘米隔空精准识别：让每一个手势都有意义

2015年，湿气发电的能力首次通过实验得到证实，这一发现随即引发了广泛关注。“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。基于全球水循环生态，无论是潮湿的雨林，还是极度干燥的沙漠，空气中都始终蕴藏着水分子。这意味着，这一技术几乎在任何环境下都能随时获取能量。其次是卓越的绿色环保特性。水是自然界中最天然的物质，整个发电过程既不会产生污染，也不会消耗稀有资源，高度契合可持续发展的核心理念。”沈道智解释道。

早在2016年左右，沈道智及团队便观察到了湿气发电的相关现象。直到2018年，他们在《先进材料》（Advanced Materials）发表论文，首次证明湿气发电可直接为传感器供电。2024年回国独立组建实验室后，他一直在思考如何“做出与众不同的东西”。同年，他带领团队率先将湿气发电技术拓展至水下环境，利用防水透气膜和离子化水凝胶，成功制备出可在水下稳定工作的发电装置，并验证了水下无线信号传输的可行性。

在突破了极端环境的限制后，团队又将目光投向了湿气发电与人机交互的深度融合领域。

传统人机交互技术长期面临两大核心难题。其一，接触式交互设备，如触摸屏或力反馈手套，虽然操作直观便捷，但长期使用会带来卫生隐患及机械磨损，在公共场所或医疗场景中尤为突出。其二，非接触式交互技术，如电容式、光学式或热电式传感器，虽然成功避免了物理接触，但通常需要持续供电，电池笨重、需频繁更换，还可能存在锂电池泄漏或爆炸等安全隐患。

在这项研究中，为实现从环境湿气中直接发电的电子器件，团队巧妙设计了一种水凝胶薄膜，其厚度仅约80微米，组分包含聚乙醇酸（PGA）、纤维素纳米纤维（CNF）、盐类及有机酸。该薄膜内部布满了微孔结构，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和有机酸上大量的羧基（-COOH）会发生解离，释放出可自由移动的氢离子（H+），而较大的阴离子则被固定在聚合物网络中，从而形成稳定的离子浓度梯度，最终产生电势和电流。

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，尽管输出信号稳定，却对周围极微弱的气流扰动异常敏感。顺着这一线索深入探索，团队发现了一种全新的物理机制——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，从而形成局部湍流。这种湍流会同时引发两个变化：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过程，最终使输出电压产生特征性的波动。不同手势或数字所产生的波形截然不同。例如，在空中书写数字“0”时，会产生双峰双谷的波形；书写“1”时，则呈现单峰单谷。令人惊喜的是，这种信号在手指距离装置2至8厘米的范围内均保持高度稳定。即便环境湿度在30%到70%之间波动，关键特征也不会丢失。除了阿拉伯数字，系统还能解码字母和单词——手写“Sad”、“Happy”及“ILoveSJTU”等词语时，均会产生不同的输出波形，忠实反映每个手写单词的独有特征。

谈及环境中不同因素的影响，沈道智认为实际应用场景中干扰不可避免，关键在于如何有效排除干扰。在他看来，外界气流影响产生的电压信号可能是无序且随机的，而有意识的手势输出所生成的信号则具有规律性。“通过引入特定算法，我们可以对这种有规律的信号进行精确解构与解析，进而有效排除那些不稳定、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分析。即使每类手势仅使用约20个样本进行训练，1D-CNN模型对0到9这十个阿拉伯数字的识别准确率依然可达91.5%；而采用SVM模型时，识别准确率更是高达99%。

三大应用场景验证：从实验室走向产业化的潜力

研究团队将这项创新技术在多个实际场景中进行了系统性测试与验证。

首先是加密信息传输场景。传统的加密通信系统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以及接触式窃听等安全隐患。这项技术提供了一种完全隐秘且安全的解决方案：用户无需任何物理连接和外部电源，仅通过隔空手势即可输入加密密钥。在概念验证系统中，用户通过无接触手写手势成功输入了RSA加密算法的公钥和私钥。这种完全脱离实体设备的交互方式，在物理层面彻底隐藏了密钥输入过程，极大提升了信息传输的安全性。

其次是虚拟现实与游戏控制场景。在飞行避障游戏的演示中，系统能够将隔空手写的数字精准映射为“左移”或“右移”等控制指令。用户仅凭一连串流畅的隔空手势即可准确操控虚拟飞机，充分彰显了该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场景。研究人员将传感器与微控制器及智能小车进行了连接。当用户在空气中书写“1”时，小车直行；书写“11”时，小车右转。在完整的演示过程中，小车通过一系列非接触指令，顺利完成了包含两次转弯的复杂赛道任务。

（来源：上述论文）

从2016年首次观察到湿气发电现象，到如今将其成功转化为非接触式手势交互的物理接口，沈道智在这一前沿领域已深耕十年，亲身见证了技术的持续变迁与演进。

“一方面是材料体系的迭代升级。过去10年来，纳米技术与材料科学为湿气发电带来了许多崭新的可能性。从最初所使用的传统材料，到后来高性能聚合物材料的快速发展，为湿气发电注入了新的活力。例如，在提升功率输出和实现长期稳定性方面，新型材料都展现出了显著的优势。另一方面是器件结构的迭代创新。以往主要采用三明治结构或平面结构，而现在我们能够设计出更加复杂的结构，例如与其他能量形式耦合的复合发电结构。这些特殊结构让器件能够在极端环境下稳定工作，比如水下环境。”

但客观而言，湿气发电技术当前仍面临一些比较明显的局限性，主要集中在两个方面：

第一是功率输出问题。随着技术发展与需求提升，湿气发电的功率虽在不断进步，但总体输出水平仍然偏低，能量转换效率有待进一步提高。第二是长期稳定性问题。从文献报道来看，早期的湿气发电器件可能仅能持续工作几秒钟，后来逐步发展到几个小时，如今已有研究能够实现数月稳定运行。然而，若要满足长达数年甚至更长时间的持续稳定功率输出，这依然是当前亟待解决的关键瓶颈。

展望未来，沈道智计划将这一技术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世界，进行更为全面的测试与验证。而在更长远的规划中，他决心将这项零功耗、非接触式的底层技术，与具身智能、人机交互等前沿领域深度融合，去探寻更多“与众不同”的创新可能性。

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.