隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，使人與機(jī)器之間能夠進(jìn)行信息交換的傳感器正逐漸從柔性觸覺(jué)傳感器擴(kuò)展到非接觸式傳感器。目前，觸覺(jué)傳感器主要基于電阻、電容、壓電、摩擦電和磁性。觸覺(jué)傳感器可以檢測(cè)接觸物體的接觸力、溫度、濕度、振動(dòng)、材料、柔軟度等特性，有利于人/機(jī)器人與環(huán)境的互動(dòng)。然而，觸覺(jué)傳感器在與待檢測(cè)物體接觸時(shí)在近視中有一個(gè)盲點(diǎn)，并且受到環(huán)境光的限制。此外，觸覺(jué)傳感器不可避免地會(huì)受到機(jī)械疲勞和穩(wěn)定性差的影響，限制了它們的實(shí)用性和通用性。由于非接觸式傳感器可以以更簡(jiǎn)單直接的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的人機(jī)交互，因此它們被廣泛應(yīng)用于安全導(dǎo)航、遙感、智能醫(yī)療、電子屏幕和智能機(jī)器人。

非接觸式傳感器的一個(gè)挑戰(zhàn)是傳感性能和穩(wěn)定性之間的矛盾。據(jù)報(bào)道，實(shí)現(xiàn)非接觸式傳感的方法主要包括磁性、濕度、紅外輻射、摩擦電、電容和視覺(jué)傳感器。其中，濕度和電容傳感器只能檢測(cè)到有限數(shù)量的簡(jiǎn)單類(lèi)型，如接近和滑動(dòng)。磁傳感器需要磁性附件，導(dǎo)致交互體驗(yàn)低，而視覺(jué)傳感器不能在黑暗環(huán)境中使用。目前用于非接觸式手勢(shì)識(shí)別的摩擦電傳感器仍然存在表面電荷存儲(chǔ)能力弱的問(wèn)題。此外，非接觸式傳感器面臨著一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，即它們的輸出性能隨著工作距離的增加而降低，限制了它們?cè)诜墙佑|式傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。傳統(tǒng)非接觸式傳感器的工作距離非常有限。因此，許多非接觸式傳感器在長(zhǎng)距離下無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性。近紅外（NIR）光因其易于獲取和高能量特性，也可用于非接觸式控制領(lǐng)域。大多數(shù)報(bào)道的作品使用紅外輻射或可見(jiàn)光譜來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式傳感，但它們?nèi)菀资艿江h(huán)境光和溫度等外部環(huán)境的影響。因此，開(kāi)發(fā)精度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)多種環(huán)境的非接觸式傳感器具有重要意義。

水凝膠因其獨(dú)特的3D結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于柔性可穿戴領(lǐng)域。然而，由于水作為溶劑體系的影響，水凝膠在低溫或高溫環(huán)境下容易損壞其機(jī)械性能和完整性，這限制了它們的應(yīng)用范圍，特別是在柔性電子領(lǐng)域。因此，研究人員為開(kāi)發(fā)具有良好機(jī)械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的凝膠做出了不懈的努力。與水凝膠相比，有機(jī)凝膠（有機(jī)水凝膠）近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是對(duì)液相具有更寬的選擇性，從而顯示出更多的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管有機(jī)凝膠的導(dǎo)電性較差在實(shí)際應(yīng)用中可能需要進(jìn)一步處理，但它們?cè)诜墙佑|式傳感器領(lǐng)域顯示出良好的機(jī)械耐久性和環(huán)境穩(wěn)定性。例如，有機(jī)凝膠的熱穩(wěn)定性可以通過(guò)所選溶劑的沸點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)。目前，有機(jī)凝膠的分類(lèi)主要包括含有極性液體的有機(jī)凝膠（或油凝膠）、具有在有機(jī)溶劑中膨脹的聚合物網(wǎng)絡(luò)的軟材料，以及用于區(qū)分有機(jī)凝膠和水凝膠的有機(jī)填充液體。對(duì)于二元溶劑體系，有機(jī)凝膠和水凝膠之間存在明顯的重疊。在這種情況下，凝膠的定義可以根據(jù)主要溶劑或功能最強(qiáng)的溶劑的性質(zhì)來(lái)確定。因此，在這項(xiàng)工作中，將PAM瓊脂TABP有機(jī)水凝膠中的水揮發(fā)后的樣品命名為PAM瓊脂TAPP有機(jī)凝膠。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作開(kāi)發(fā)了一種智能紅外光熱非接觸式傳感系統(tǒng)，提供長(zhǎng)距離、高精度的非接觸式感應(yīng)。

2. 設(shè)計(jì)了一種基于黑磷（BP）的復(fù)合有機(jī)凝膠作為活性材料，該凝膠具有優(yōu)異的光熱性能和環(huán)境穩(wěn)定性。這種材料可以通過(guò)紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)的各種圖案化掩模檢測(cè)近紅外（NIR）光產(chǎn)生的圖案。所構(gòu)建的非接觸式傳感系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別26個(gè)字母，準(zhǔn)確率高達(dá)99.4%。

3. 即使是小尺寸的非接觸式傳感器也可以在寬溫度范圍內(nèi)、長(zhǎng)工作距離、不同電流強(qiáng)度和黑暗條件下保持高靈敏度和穩(wěn)定性，表現(xiàn)出卓越的魯棒性。

4. 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，證明了非接觸式傳感系統(tǒng)在模式識(shí)別和人機(jī)交互方面的優(yōu)勢(shì)。

圖文解析

圖1. 非接觸式傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。A）PAM瓊脂TABP有機(jī)水凝膠的制備工藝和B）光熱效應(yīng)說(shuō)明。C）基于近紅外輻射和機(jī)器學(xué)習(xí)的非接觸式傳感器系統(tǒng)。在近紅外光的激發(fā)下，紅外熱像儀監(jiān)測(cè)不同掩模照射在凝膠材料上的圖像。

圖2. PAM-agar-TABP40凝膠的機(jī)械性能和粘附性能。A）不同PAM基有機(jī)水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。B）PAM-agar-TABP40有機(jī)水凝膠機(jī)械性能的光學(xué)照片。C）PAM-agar-TABP40水凝膠和有機(jī)凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。D）粘附力學(xué)曲線(xiàn)和E）厚度為0.5 mm的PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠的相應(yīng)粘附強(qiáng)度（插圖是搭接剪切試驗(yàn)的說(shuō)明）。F）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠對(duì)各種基材的粘附行為（比例尺=2 cm）。G）不同時(shí)間后厚度為0.5mm的PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠的粘附穩(wěn)定性。H）基于PAM-agar-TABP40的凝膠的DSC曲線(xiàn)。I）PAM-agar-TABP40凝膠在60°C下的重量變化。J）PAM-agar-TABP40水凝膠（i）和有機(jī)水凝膠（ii）在60°C下24小時(shí)后的照片。

圖3. PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠的光熱行為。A）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠在不同近紅外強(qiáng)度（距離=10 cm，t=5 s）下的溫度變化。B）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠在有機(jī)凝膠和近紅外光之間不同距離下的溫度變化（I=10 A，t=5 s），C）以及t=1-10 s時(shí)的相應(yīng)紅外圖像。E）不同PAM基有機(jī)凝膠（I=10 A，距離=10 cm）的溫度變化。F）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠在近紅外輻射下的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。G）利用線(xiàn)性時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算冷卻過(guò)程的時(shí)間常數(shù)（τs）。H）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠的光熱循環(huán)，用于多次開(kāi)/關(guān)循環(huán)（I=10 A，距離=10 cm）。I）PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠在四個(gè)月后的光熱穩(wěn)定性。

圖4. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)和近紅外光的高精度模式識(shí)別數(shù)據(jù)處理。A）培訓(xùn)過(guò)程的說(shuō)明。B）在近紅外激光下，通過(guò)不同掩模在PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠上照射26個(gè)字母的光學(xué)照片。C）26個(gè)字母的混淆圖，顯示識(shí)別準(zhǔn)確率為99.4%?！把嗌酱髮W(xué)”中11個(gè)字母的混淆圖，D）不同的電流（識(shí)別準(zhǔn)確率為99.5%），E）不同的距離（識(shí)別準(zhǔn)確度為100%），F(xiàn)）不同的環(huán)境亮度（識(shí)別正確率為100%）。插圖顯示了相應(yīng)“A”在不同條件下的光學(xué)照片。

圖5. 非接觸式傳感器的應(yīng)用。A）在近紅外激光下，通過(guò)不同掩模在PAM-agar-TABP40有機(jī)凝膠上照射10個(gè)數(shù)字的光學(xué)照片。B）26個(gè)字母的混淆圖，顯示識(shí)別準(zhǔn)確率為98.5%。C）非接觸式傳感系統(tǒng)的數(shù)字識(shí)別精度總結(jié)。D）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，基于近紅外光的非接觸式傳感系統(tǒng)成功識(shí)別數(shù)字并做出相應(yīng)的手勢(shì)。E）非接觸式傳感系統(tǒng)可以抓取和轉(zhuǎn)移物體

審核編輯 黃宇