受毛毛虫启发！福州大学，首篇Nature Sensors！

在元宇宙、虚拟现实和沉浸式交互快速发展的今天，人机交互正从“触摸屏时代”迈向“空间感知时代”。然而，现有的触控与位移传感器大多只能感知二维平面上的横向位移，难以捕捉手指在垂直方向上的动作变化，这使得交互维度受限，空间信息被严重压缩。尽管毫米波雷达、红外成像等方案在一定程度上实现了三维感知，但系统复杂、成本较高，且难以与直观的交互反馈方式相结合。因此，如何以低成本、可视化、抗干扰的方式实现真正的三维空间位置感知，成为新一代人机交互技术面临的核心挑战。

今日，福州大学吴朝兴教授联合中国科学院半导体研究所刘志强研究员的研究团队受到毛毛虫感知周围电场能力的启发，提出了一种基于人体诱导电致发光的三维空间位置感知系统（3D-SPPS）。该系统利用人体与器件之间形成的局域电场差，在无需直接接触的情况下触发稳定的电致发光信号，从而同时获取手指在平面内（x–y）及垂直方向（z轴）的位置信息。研究团队系统阐明了其工作机理，并展示了非接触键盘、远程控制、虚拟现实交互及空中书写识别等多种应用场景，为下一代直观、自由的人机交互技术提供了全新路径。相关成果以“Body-induced electroluminescence for bio-inspired 3D spatial position perception”为题发表在《Nature Sensors》上，第一作者为Kun Wang。

研究整体思路首先体现在系统设计上。如图1a所示，研究人员构建了一种仿生三维空间位置感知系统，其核心是一块GaN-LED晶圆，上方规则排布金属球阵列，并通过3D打印结构精确限位。与传统LED不同，这种结构并不依赖持续载流子注入，而是通过人体靠近时引入的电势变化触发瞬态辐射复合，从而在特定位置产生明亮、可视化的电致发光信号（图1a）。在交流电压驱动下，该器件展现出极具特色的发光行为。实验结果显示，电致发光仅在方波电压的下降沿瞬间产生，形成尖锐而稳定的光脉冲（图1b）。随着驱动电压幅值的增加，发光强度逐步增强，而在反向过程中则呈现几乎对称的衰减趋势（图1c、1d）。这种独特的响应源于器件内部等效电容的充放电过程，也为后续通过发光强度反推空间位置信息奠定了基础（图1e–g）。

图1：三维空间位置感知系统结构设计及电致发光基本特性

为了进一步解释这一现象，研究团队对器件内部电场分布进行了系统模拟。如图2a所示，当负电压施加在ITO电极上时，电场在金属球与GaN界面处高度集中，并向多量子阱区域径向扩展。在电压下降沿，电子与空穴被迅速驱动进入量子阱发生辐射复合，从而产生瞬态发光（图2b）；而在电压上升沿，内部载流子被拉离发光区，发光过程随即终止（图2c）。从能带角度来看，一个完整的交流周期对应着载流子积累、释放与重新分布的循环过程（图2d）。人体在这一系统中扮演着关键角色。由于人体可视为一个巨大的带电体，当手指靠近金属球时，会显著改变球体电势，从而增强LED内部的有效电场（图2e）。模拟结果清晰表明，随着手指与金属球距离的减小，多量子阱区域内的电场强度显著增强，并在阈值条件下触发非接触式发光（图2f、2g）。这意味着，仅通过调节手指高度，就可以连续调控发光强度，实现对z轴位移的精准感知。

图2：人体诱导电致发光的电场分布、载流子输运与能带机理分析

在此基础上，研究人员系统表征了器件的静态与动态空间响应特性。当单个金属球与手指发生空间耦合时，发光强度会随着手指的靠近或远离而连续变化（图3a–c）。当金属球阵列被引入后，系统即可同时点亮多个发光区域，实现二维空间分布的精确映射（图3d–f）。更重要的是，当手指在器件上方滑动时，发光点会形成连续轨迹，从而实现对运动路径的实时追踪（图3g）。值得注意的是，系统对环境变化同样具有良好适应性。实验表明，湿润手指由于携带更多可移动电荷，会显著增强电致发光强度（图3h、3i），模拟结果进一步验证了皮肤表面电荷量对器件电势分布的调控作用（图3j、3k）。这一特性为复杂环境下的稳定交互提供了额外保障。

图3：器件在静态、动态及环境变化条件下的空间响应特性

在应用层面，研究团队展示了多种基于该系统的人机交互方案。首先，通过预设发光强度随时间变化的“密码”，系统可实现基于z轴特征的非接触身份认证，有效区分有意与无意操作（图4a–c）。在此基础上，研究人员构建了虚拟数字键盘，用户仅需将手指悬停在对应区域上方即可完成输入（图5a、5b）。同样的原理还被用于非接触遥控小车，实现前进、后退及转向控制（图5c、5d）。

图4：基于z轴发光特征的非接触身份认证系统

图5：基于静态发光分布的非接触键盘与遥控应用

进一步结合动态轨迹识别能力，系统还可应用于虚拟现实阅读与空中书写场景。当用户左右滑动手指时，发光轨迹被实时识别并转化为翻页指令（图6a）。在非接触书写演示中，发光轨迹被输入卷积神经网络进行识别，最终实现了0–9数字的空中书写识别，测试集准确率高达99%（图6b–e）。

图6：基于动态发光轨迹的虚拟现实交互与空中书写识别

小结

总体而言，这项研究提出了一种全新的人体诱导电致发光三维空间感知策略，突破了传统触控与二维传感的限制。通过将空间位置直接转化为可视化光信号，该系统在结构简洁性、抗电磁干扰能力以及交互直观性方面展现出显著优势。随着器件阵列密度和算法能力的进一步提升，这一技术有望在元宇宙交互、可穿戴设备及智能机器人等领域发挥重要作用，为人机交互迈向真正的三维自由空间提供坚实支撑。