基于可见光盲区近红外有机光电探测器的柔性光子非接触人机界面研究

南开大学研究团队开发出一种基于柔性可见光盲区近红外有机光电探测器（Vis-blind NIR OPD）的新型非接触人机界面（Flex-PCI），该技术突破了传统传感器在检测范围（0.5-60.0 cm）、响应速度（1.6 μs）和环境适应性等方面的局限，首次实现了手指运动学（位置/速度/轨迹）和生理信息（心率/呼吸率）的同步精确检测，为AR/VR、安全系统和水下交互等AI驱动场景提供了革命性解决方案。

　　

在人工智能技术蓬勃发展的今天，非接触式人机交互（C-HMI）正逐渐取代传统触摸界面，成为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和元宇宙等领域的核心技术。然而现有技术面临三大瓶颈：电容/热敏传感器检测距离不足3厘米，湿度传感器响应速度慢至数秒，而基于摄像头的系统又存在隐私泄露风险。更关键的是，这些技术均无法在复杂环境（如水下或极端温湿度）稳定工作，也无法同步捕捉手势运动与生命体征信息。

针对这些挑战，南开大学纳米科学与技术研究中心的研究团队创新性地开发出柔性光子非接触界面（Flex-PCI）。这项发表于《National Science Review》的研究，通过分子设计合成新型窄带非富勒烯受体Y6-4Se，结合光学调节层（OAL）和空心电极阵列结构，构建出兼具高灵敏度（0.34 A W^-1）和超快响应（580 ns）的可见光盲区近红外探测器。研究团队采用溶液加工法制备柔性器件阵列，通过光学仿真优化背光系统布局，最终实现多模态信号同步采集与分析。

关键技术包括：（1）硒原子修饰的窄带非富勒烯受体合成；（2）光学/电子传输协同优化的倒置器件结构；（3）PCE-10:PC₇₁BM光学调节层制备；（4）空心银电极阵列的微纳加工；（5）基于快速傅里叶变换（FFT）的生理信号解析算法。

【材料与器件优化】
通过将硒原子引入Y6分子骨架，使吸收峰红移至850 nm，同时保持三维分子堆积网络。PM6:Y6-4Se薄膜的载流子迁移率达5.49×10^-4 cm² V^-1 s^-1，Urbach能量（E_u）降至17.09 meV，显著降低噪声电流（2.88×10^-14 A Hz^-1/2）。

【柔性器件性能】
1 μm厚OAL使器件在850 nm处保持0.34 A W^-1响应度，可见光抑制比达186:1。弯曲1000次后（曲率半径7.5 mm），f_-3dB仍保持1.32 MHz，刷新柔性NIR探测器纪录。

【系统级应用】
空心阵列设计使检测范围拓展至60 cm，空间分辨率达10 μm。在多点检测模式下，相邻像素串扰<30%，远优于传统边缘光源设计（>75%）。通过二阶导数光电容积图（SDPTG）分析，可提取动脉硬化指标a-e波，心率检测误差<3%。

【环境稳定性】
在85°C/97.9%湿度下信号波动<10%，水下工作450次循环无衰减。弯曲状态下仍能追踪55 cm距离内的三维手势，并准确识别23 brpm呼吸率和58 bpm心率。

这项研究的突破性在于：首次将柔性光子技术与生命体征监测融合，创建了可同时解析空间坐标（x,y,z）、运动矢量（v）、生物节律（HR/RR）的六维交互系统。其开发的高维安全认证系统，通过组合手势轨迹与生理指纹，在空气/水下环境中均实现100%识别准确率。该技术为医疗机器人、沉浸式游戏等需要精密生物反馈的场景提供了标准化解决方案，标志着非接触交互从单一指令控制迈向智能感知的新纪元。