湿度传感器作为一种基础型可穿戴电子器件，能够有效监测环境或人体皮肤表面的湿度变化。采用非接触式传感模式运行的湿度传感器避免了接触式传感器常见的机械磨损和交叉感染等问题，在医疗监测、人机界面（HMI）、情绪分析、体育活动和安全生产等众多领域展现出巨大的应用潜力。现阶段的湿度传感器普遍存在佩戴舒适度不足和皮肤刺激等问题，限制了其长期使用性。因此，开发具有超薄、高透气性、快速湿度响应和高灵敏度特性的湿度传感器，对于实现连续健康监测至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，上海大学张建华教授、赵婷婷副教授及其研究团队开发出一种皮肤适形透气湿度传感器，该传感器基于MXenes复合材料和具有图案化电极的静电纺丝弹性体纳米纤维制备而成，不仅展现出优异的透气性（0.078 g cm⁻²d⁻¹）、高灵敏度（S = 704）和快速响应/恢复时间（0.9 s/0.9 s），还具备出色的皮肤适应性和生物相容性。此外，该传感器还能实现运动状态和情绪模式识别。这项研究为开发先进的非接触式人机界面开辟了新的路径。相关研究成果以“A skin-conformal and breathable humidity sensor for emotional mode recognition and non-contact human-machine interface”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。
图1 本研究提出的皮肤适形透气湿度传感器示意图及应用
这项研究所提出皮肤适形透气湿度传感器基于一种独特的复合材料，即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维（SBS NFs）和碱化MXenes/聚多巴胺（AMP）复合材料，简称为SAMP复合材料。其中，AMP因其较大的比表面积和丰富的吸水羟基而对水分子高度敏感，SBS NFs为支撑功能材料和电极提供了超薄、高柔性和高渗透性的基底。基于SBS NFs和AMP的协同效应，SAMP复合材料促进了具有高传感性能的皮肤适形透气湿度传感器的实现。
图2 基于SAMP的湿度传感器的制备和表征
呼吸模式（例如呼吸深度和频率）受人的运动和情绪状态影响非常大。由于鼻子或嘴巴呼气中的水分子含量很高，利用湿度传感器可以通过监测呼吸模式来评估人的运动和情绪状态。基于SAMP的湿度传感器具有优异的透气性和较高的湿度响应，可用于可穿戴设备来监测与湿度相关的行为。通过实验演示，研究人员验证了基于SAMP的湿度传感器能够准确检测不同运动状态下的呼吸变化，并识别四种不同的情绪模式。
图3 基于SAMP的湿度传感器在识别运动状态和情绪模式中的应用
利用基于湿度模态的人机界面，通过手指皮肤天然的湿度场进行非接触式操作，可以有效避免机械接触带来的细菌交叉感染。研究人员基于3 × 3湿度传感器阵列开发了一种非接触式人机界面，该界面能够通过手指的非接触式滑动来控制机器人小车的运动，展示了柔性人机界面在非接触式控制领域的应用前景。
图4 基于SAMP的湿度传感器及其非接触式人机界面应用
综上所述，这项研究工作基于SAMP复合材料实现了具有高透气性、高灵敏度和快速响应/恢复特性的湿度传感器，为健康监测和非接触式人机界面的研究发展提供了新的思路。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-023-00290-z
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