受毛毛蟲啟發！福州大學，首篇Nature Sensors！

在元宇宙、虛擬現實和沉浸式交互快速發展的今天，人機交互正從“觸摸屏時代”邁向“空間感知時代”。然而，現有的觸控與位移傳感器大多只能感知二維平面上的橫向位移，難以捕捉手指在垂直方向上的動作變化，這使得交互維度受限，空間信息被嚴重壓縮。盡管毫米波雷達、紅外成像等方案在一定程度上實現了三維感知，但系統復雜、成本較高，且難以與直觀的交互反饋方式相結合。因此，如何以低成本、可視化、抗干擾的方式實現真正的三維空間位置感知，成為新一代人機交互技術面臨的核心挑戰。

今日，福州大學吳朝興教授聯合中國科學院半導體研究所劉志強研究員的研究團隊受到毛毛蟲感知周圍電場能力的啟發，提出了一種基于人體誘導電致發光的三維空間位置感知系統（3D-SPPS）。該系統利用人體與器件之間形成的局域電場差，在無需直接接觸的情況下觸發穩定的電致發光信號，從而同時獲取手指在平面內（x–y）及垂直方向（z軸）的位置信息。研究團隊系統闡明了其工作機理，并展示了非接觸鍵盤、遠程控制、虛擬現實交互及空中書寫識別等多種應用場景，為下一代直觀、自由的人機交互技術提供了全新路徑。相關成果以“Body-induced electroluminescence for bio-inspired 3D spatial position perception”為題發表在《Nature Sensors》上，第一作者為Kun Wang。

研究整體思路首先體現在系統設計上。如圖1a所示，研究人員構建了一種仿生三維空間位置感知系統，其核心是一塊GaN-LED晶圓，上方規則排布金屬球陣列，并通過3D打印結構精確限位。與傳統LED不同，這種結構并不依賴持續載流子注入，而是通過人體靠近時引入的電勢變化觸發瞬態輻射復合，從而在特定位置產生明亮、可視化的電致發光信號（圖1a）。在交流電壓驅動下，該器件展現出極具特色的發光行為。實驗結果顯示，電致發光僅在方波電壓的下降沿瞬間產生，形成尖銳而穩定的光脈沖（圖1b）。隨著驅動電壓幅值的增加，發光強度逐步增強，而在反向過程中則呈現幾乎對稱的衰減趨勢（圖1c、1d）。這種獨特的響應源于器件內部等效電容的充放電過程，也為后續通過發光強度反推空間位置信息奠定了基礎（圖1e–g）。

圖1：三維空間位置感知系統結構設計及電致發光基本特性

為了進一步解釋這一現象，研究團隊對器件內部電場分布進行了系統模擬。如圖2a所示，當負電壓施加在ITO電極上時，電場在金屬球與GaN界面處高度集中，并向多量子阱區域徑向擴展。在電壓下降沿，電子與空穴被迅速驅動進入量子阱發生輻射復合，從而產生瞬態發光（圖2b）；而在電壓上升沿，內部載流子被拉離發光區，發光過程隨即終止（圖2c）。從能帶角度來看，一個完整的交流周期對應著載流子積累、釋放與重新分布的循環過程（圖2d）。人體在這一系統中扮演著關鍵角色。由于人體可視為一個巨大的帶電體，當手指靠近金屬球時，會顯著改變球體電勢，從而增強LED內部的有效電場（圖2e）。模擬結果清晰表明，隨著手指與金屬球距離的減小，多量子阱區域內的電場強度顯著增強，并在閾值條件下觸發非接觸式發光（圖2f、2g）。這意味著，僅通過調節手指高度，就可以連續調控發光強度，實現對z軸位移的精準感知。

圖2：人體誘導電致發光的電場分布、載流子輸運與能帶機理分析

在此基礎上，研究人員系統表征了器件的靜態與動態空間響應特性。當單個金屬球與手指發生空間耦合時，發光強度會隨著手指的靠近或遠離而連續變化（圖3a–c）。當金屬球陣列被引入后，系統即可同時點亮多個發光區域，實現二維空間分布的精確映射（圖3d–f）。更重要的是，當手指在器件上方滑動時，發光點會形成連續軌跡，從而實現對運動路徑的實時追蹤（圖3g）。值得注意的是，系統對環境變化同樣具有良好適應性。實驗表明，濕潤手指由于攜帶更多可移動電荷，會顯著增強電致發光強度（圖3h、3i），模擬結果進一步驗證了皮膚表面電荷量對器件電勢分布的調控作用（圖3j、3k）。這一特性為復雜環境下的穩定交互提供了額外保障。

圖3：器件在靜態、動態及環境變化條件下的空間響應特性

在應用層面，研究團隊展示了多種基于該系統的人機交互方案。首先，通過預設發光強度隨時間變化的“密碼”，系統可實現基于z軸特征的非接觸身份認證，有效區分有意與無意操作（圖4a–c）。在此基礎上，研究人員構建了虛擬數字鍵盤，用戶僅需將手指懸停在對應區域上方即可完成輸入（圖5a、5b）。同樣的原理還被用于非接觸遙控小車，實現前進、后退及轉向控制（圖5c、5d）。

圖4：基于z軸發光特征的非接觸身份認證系統

圖5：基于靜態發光分布的非接觸鍵盤與遙控應用

進一步結合動態軌跡識別能力，系統還可應用于虛擬現實閱讀與空中書寫場景。當用戶左右滑動手指時，發光軌跡被實時識別并轉化為翻頁指令（圖6a）。在非接觸書寫演示中，發光軌跡被輸入卷積神經網絡進行識別，最終實現了0–9數字的空中書寫識別，測試集準確率高達99%（圖6b–e）。

圖6：基于動態發光軌跡的虛擬現實交互與空中書寫識別

小結

總體而言，這項研究提出了一種全新的人體誘導電致發光三維空間感知策略，突破了傳統觸控與二維傳感的限制。通過將空間位置直接轉化為可視化光信號，該系統在結構簡潔性、抗電磁干擾能力以及交互直觀性方面展現出顯著優勢。隨著器件陣列密度和算法能力的進一步提升，這一技術有望在元宇宙交互、可穿戴設備及智能機器人等領域發揮重要作用，為人機交互邁向真正的三維自由空間提供堅實支撐。