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手可作為一個天然且智能化的紅外光源。（A）整只手作為光源和（B）每根手指作為獨(dú)立光源的示意圖。

本報訊?近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授鄧濤團(tuán)隊在以人手作為智能紅外光源進(jìn)行信息識別研究中獲得重要進(jìn)展。相關(guān)研究在線發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

紅外光源作為光源中的一種，在傳感、能源、通信、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相對于人造紅外光源，人體是一個天然的紅外光源，發(fā)射的紅外光峰值在9微米左右，正好處于大氣透射窗口（7.5微米~14微米）且發(fā)射的為非相干光。基于這一原理，研究人員在這項工作中研究了手作為一個天然智能紅外光源在不同系統(tǒng)里面的應(yīng)用：整只手作為光源集成到防偽系統(tǒng)中進(jìn)行信息識別；每根手指作為一個獨(dú)立的紅外光源集成到信號生成系統(tǒng)中進(jìn)行手語識別。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在將手集成到基于反射的防偽系統(tǒng)中進(jìn)行信息識別的工作中，防偽標(biāo)簽由鋁基底上噴涂透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）圖案構(gòu)成。金屬鋁對紅外光具有很強(qiáng)的反射率，而PDMS聚合物由于官能團(tuán)的紅外吸收導(dǎo)致反射率降低。當(dāng)手作為紅外光源放在防偽標(biāo)簽一側(cè)時，防偽圖案的不同部分反射的紅外光強(qiáng)度不同，被紅外相機(jī)捕捉并可視化，從而使得肉眼不可見的防偽圖案被識別出來。

通過調(diào)控PDMS薄膜的紅外反射率，研究人員進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多級彩色信息加密與識別，與單色的防偽圖案相比，進(jìn)一步提高了信息加密的等級與安全性。論文第一作者、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生安順告訴《中國科學(xué)報》，不僅整只手可以作為一個光源，每根手指也可以作為獨(dú)立的紅外光源且發(fā)射的紅外光可以被金屬反射型光柵衍射。通過調(diào)控光柵的周期及取向，每根手指發(fā)射的紅外光可以選擇性地被特定的光柵衍射，從而將該光柵“照亮”。光源的數(shù)量以及相對位置可以通過改變手勢進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)改變手勢時，紅外相機(jī)可以從同一個光柵陣列中識別出不同的紅外衍射圖案，且這些衍射圖案與手勢之間一一對應(yīng)。如將手勢作為密鑰集成到防偽系統(tǒng)中，將會進(jìn)一步提高防偽的等級，以及信息加密的安全性。

這種手勢與紅外衍射圖案之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步被集成到信號生成系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)手語識別功能。研究人員設(shè)計了一種僅需3根手指即可產(chǎn)生26種手勢以及相應(yīng)的26種紅外衍射圖案的手語識別系統(tǒng)，并將這26種紅外衍射圖案與26個英文字母一一對應(yīng)。與傳統(tǒng)的直接識別手勢輪廓的手語識別系統(tǒng)相比，本研究將復(fù)雜的手勢轉(zhuǎn)換成簡單的紅外衍射圖案進(jìn)行識別，不僅避免了環(huán)境光線以及復(fù)雜背景對于識別的干擾，在手勢分割、特征提取等方面也具有較高的魯棒性，采用簡單的算法即可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、快速的手語識別。

同時，這項研究證明了手作為一個天然且智能化的紅外光源在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用。將手集成到這些系統(tǒng)里不僅提高了系統(tǒng)的可持續(xù)性，并且由于大腦直接參與光源的調(diào)控，所以也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能性和可控制性。

“這項工作為提高人工系統(tǒng)的可持續(xù)性和智能性提供了一種新思路，可以促進(jìn)以人體紅外光源取代人造紅外光源，從而實(shí)現(xiàn)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。”安順說。（黃辛）

相關(guān)論文信息：https://www.pnas.org/content/118/15/e2021077118