柔性传感器在人机交互、电子皮肤、触觉感知、物联网等应用中至关重要，同时也因其柔韧性、轻质、灵活性、适应性而受到青睐。柔性微结构阵列在压力传感方面表现出显著优势，如高灵敏度和快速响应，但受到微纳制备策略和技术的限制，大多数研究工作局限于常规微结构，如圆柱、金字塔和半球阵列等。另一方面，具备智能的仿生耳朵能够敏感地检测声音并生成意识和逻辑决策能力，具有改变人类生活的极大潜力。高灵敏的压力传感器可以感应声压，可用于语音识别、语音控制等，但由于设备灵敏度和机器学习算法的探索有限，目前的研究局限于简单的音素。
近日，东华大学黄中杰教授团队及合作者，报道了一种简单、通用、且与传统模板法兼容的柔性空心微结构阵列的制备策略与方法（气泡法），并在此基础上结合了微球模板法报道了基于柔性空心微结构阵列的高级分层空心微结构，降低传感单元的模量。基于此柔性材料的超灵敏柔性压阻传感器具备6.9×103 kPa-1超高机械灵敏度和优异的循环稳定性，以及100-1500 Hz频率范围的高灵敏声学响应（例如对300 Hz频率的声音具有业内领先的4.0×103 kPa-1的灵敏度）。在智能人工耳膜的应用中，77 首包含不同性别艺术家、语言和音乐风格的歌曲片段（来自林俊杰、邓紫棋、披头士、皇后乐队等）通过扬声器播放并由智能人工耳膜记录信号，利用机器学习可实现100%（训练集）和97.7%（测试集）的识别正确率。此工作证明了基于柔性微结构创新和先进机器学习算法的超灵敏智能人工耳膜在人机交互方面具有巨大潜力。相关研究以“Intelligent Song Recognition via a Hollow- Microstructure-Based, Ultrasensitive Artificial Eardrum”为题发表在Advanced Science期刊上。
图 1. 基于压阻式传感器的智能人工耳膜的设计原理，具有创新的单元架构的柔性微结构阵列。此研究设计并制备了一系列金字塔形微观结构：S-0 是传统的实心微结构，S-1 是基于气泡法实现的空心微结构，S-2 是进一步结合了微球模板制备的高级分层空心微结构。这一系列设计通过结构创新降低了微结构的等效模量。
图 2. 基于 S-0、S-1 和 S-2 阵列的 SEM图表征。
图 3. 传感器 S-0、S-1 和 S-2 的压力和声学传感性能的系统研究。
图 4. 通过有限元分析模拟的传感器的传感机制。相同外部压力下的应力分布图表明结构越复杂，应力集中效应越大。具有相同纵向形变量时的应力分布图表明结构越复杂，所需的力越轻微。
图 5. S-2用作智能人工耳膜的“听歌识曲”探索。包含机器学习流程图，歌曲片段电信号以及通过短时傅里叶变换获得的声谱，训练集和测试集的迭代曲线及结果图。
作者团队开发了一种受人工耳膜启发、基于柔性中空微结构阵列的传感器件，实现了超灵敏的压力传感，以及智能“听歌识曲”。作者报道了一种普适且基础的方法，通过在弹性体固化过程中操控气泡生成空心微结构，该方法具有良好的可控性，能够精确掌控中心球形孔的大小和位置，也广泛兼容于模板法。研究结果突显了基于空心微结构传感器的卓越性能，表明其在人机交互和可穿戴声学技术中的潜在应用前景。
本工作通讯作者为黄中杰教授（东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室）、曹文翰助理教授（上海科技大学信息科学与技术学院）、张晓丹副教授（西安工程大学电子信息学院）。第一作者为东华大学材料科学与工程学院21级硕士生李少朋。本工作受到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市浦江人才项目等多个项目的支持。
论文信息
Li, S.; Tian, J.; Li, K.; Xu, K.; Zhang, J.; Chen, T.; Li, Y.; Wang, H.; Wu, Q.; Xie, J.; Men, Y.; Liu, W.; Zhang, X.*; Cao, W.*; Huang, Z.* Intelligent Song Recognition via a Hollow-Microstructure-Based, Ultrasensitive Artificial Eardrum. Adv. Sci. 2024, 11, 2405501.
http://doi.org/10.1002/advs.202405501
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