华中科大团队研发纸基压力传感器，可同时作为电子人工喉“传感源”和人工耳膜，将声音可...
source link: https://www.mittrchina.com/news/detail/10764
Go to the source link to view the article. You can view the picture content, updated content and better typesetting reading experience. If the link is broken, please click the button below to view the snapshot at that time.
麻省理工科技评论-华中科大团队研发纸基压力传感器，可同时作为电子人工喉“传感源”和人工耳膜，将声音可视化
“在‘发声’上，对于因不能产音而无法发声的病人来说，比如经历过全喉切除手术的后天型失语者，该器件可以作为电子人工喉的‘传感源’，利用其对喉部肌肉运动的感知，还原其声音信号；在‘收声’上，该器件可以作为人工耳膜，感受声音传递引起的空气压力波，在人工耳蜗、助听器等产品中发挥作用。”近日，华中科技大学物理学院刘逆霜教授表示。不久前，他和团队研发出一款纸基压力传感器，既能作为电子人工喉的“传感源”，也能作为人工耳膜。
利用这款纸基压力传感器，在“声音可视化”场景里，声音演员可通过收集到的声音图像检查、纠正自己的发音习惯，以进行专业化的训练。
此外，相对于视觉，声音没有那么直观和真实，而该器件能把声信号转化为电信号，将视听融合，达成利用视觉叙述音乐作品的目的，把声音变成一种设计哲学。
帮助患者从某种程度上“讲出话”
在科学家刘逆霜的眼里，声音和文字既是沟通载体，同时也带有几分艺术气息。声音和文字是世界的重要组成部分，其中，声音穿梭于时间、并在所有有维度的空间中移动。
声音现象是人类最早研究的物理现象之一，中国唐朝典故“伶伦凤律”所描述的“三分损益法”即为最早的声学定律。传说，古希腊时代的毕达哥斯拉也提出过相似的、以弦作为基础的自然律。
在当今社会，声音是人们感知世界最直观的渠道，对声信号的识别和处理，也是人工智能技术的重要组成部分。
声音的本质是振动，能通过固、液、气体等介质以具有一定压强和位移的机械波的形式传递。但对患有喉部肌肉无力等疾病而无法发声的病人而言，及时向外界传递信息会受到阻碍。因此，探索那些使用其他信号代替声信号、以帮助他们进行沟通交流的智能电子产品显得尤为重要。
语音隶属于声音，是由人的发音器官发出的具有一定社会意义的声音，它是语言的物质外壳和外部形式，是最能直接记录人的思维活动的符号体系。因而，对语音的辨别不仅在日常生活中作用显著，更是信息化、智能化仪器不可或缺的功能。
此外，“以视觉为核心、声音为载体，通过画面诠释声音内容”的声音可视化技术，也在近年来得到了一定发展。这种感官联觉的方式，能让抽象与晦涩的概念趣味化，为受众带来体验丰富的视听盛宴。
近年来，在健康监测、人机交互、柔性机器人等领域，柔性可穿戴压力传感器均展现出巨大的应用前景。高性能的压力传感器能精准捕捉压力的变化、并将其以电信号的形式展示。
当声音传递时，会引起空气的周期性膨胀/收缩，而空气振荡必然造成压力波动，这与压力传感器能感知压力变化的属性不谋而合。
因此，置于开放环境中的压力传感器，能像耳膜一样感知声波，以完成对声音的接收和分辨。而大量研究证明，置于人体不同部位的压力传感器，能随人体运动的延展而感知生理信号。
依此类推，紧贴于喉咙的压力传感设备，能通过感知发声时肌肉运动带来的压力变化，完成对语音的收集和识别，帮助患者从某种程度上“讲出话”来。
同时，电信号的展示形式丰富多样，能有效解决声信号无法保存及展现的问题，为声音可视化的研究奠定了良好基础。而且，相比传统声音识别方法，电信号低频的采样方式极大简化了声音的收集途径，节省了时间成本。
声音也可以被“看见”
据悉，这项工作是该团队在纳米光电材料与器件研究方面取得的最新进展之一。近日，相关论文以《基于压阻传感机制的柔性 MXene/ 细菌纤维素薄膜声音探测器》（Flexible MXene/Bacterial Cellulose Film Sound Detector Based on Piezoresistive Sensing Mechanism）为题发表在 ACS Nano 上，刘逆霜担任通讯作者，苏拓薏担任第一作者。
事实上，刘逆霜本人在攻读博士学位阶段，即致力于低维纳米材料的可控制备，及其在场致电子发射器件、紫外光敏探测器和应力传感器等纳米光电/机电器件的研究。
在铢积寸累之下，近年来课题组取得了了不少成果。其中，在压力传感领域，他们将目光聚焦于器件结构对性能的调控研究，开发出一系列高性能压力传感器，并对其在人体运动监测、人体体征测量及压力传感阵列等应用方面进行深入探索，为本项工作的开展奠定了基础。
刘逆霜表示，历史证明，基础科学研究的最终目的，就是使用其实用价值改变人类的生活。压力传感器受到各行业的广泛关注，但大多数的研究仅着力于基础的力传感性能提升。因此，捕捉其在生活中的具体应用，开发高性能的实用型器件，才能够实现基础科学和实用价值间的连接。
而该研究利用 MXene/ 细菌纤维素薄膜可调节的层状结构，制备出能感知微小压力的纸基压力传感器，并将其作为可穿戴声音探测器进行研究。
在传感机制上，本工作采用纤维素插层构建立体式隔离层结构，与传统的平面隔离层相比，这种方式增大了电阻的调制空间，器件灵敏度也因此得到了提升。
在应用方面，该团队选择“声音”这一生活中最常见的物理现象，关注到其振动的本质，与压力传感进行关联。同时，该项工作通过对钢琴回旋曲以及古诗词朗诵的可视化呈现，达成“看见声音”的目的，进行科学与艺术的交汇融合。
“让大家觉得有趣的，可能还有我们专门探测了古诗词信号。”作为一名“三国铁粉”，刘逆霜说自己也算是让读者从声音图像中体会了“曲有误，周郎顾”的奇妙感受，并表示这也是在科研领域传递中华文化的好方法。
对于投稿过程，他表示文章的最终发表确实可谓“好事多磨”。在第一次送审过后，他们收到了来自六位审稿人的专业意见。遵循着“言即要有理，理源于数据”的原则，课题组耗时三月进行补充实验，并针对五十余条评论进行逐一回复。
由于他们在应用环节展示了对古诗词朗诵表演的声音可视化呈现，一位来自国外的审稿人对于国际读者能否完全理解其中使用的中文字符有所担心。针对上述问题，课题组积极查阅资料，分析不同语言间的差异和联系，寻找并搭建文化沟通的桥梁。
最后，他们从 1605 年出版的《西字奇迹》里对拉丁字母汉语拼音方案的描述中获得了灵感：其使用拼音对汉字进行标注，将拼音还原为音素，并给出了能与国际音标对照的音素表格，成功解决了问题。“（这）使得文章里蕴含中华文明的部分能完好地呈现在国际读者的面前，（也让我们得以）做有温度和文化积淀的科学研究。”刘逆霜说。
兼具自驱动与输出稳定信号的优势
在后续研究上，该团队主要有两大方向的计划。
在声音传感方向，由于本工作主要采用压阻传感原理实现对声音的收集和展示，而已有研究证明这项工作中使用的传感材料 MXene 具有良好的声热特性，能够通过热致声效应利用热能产生声波，简单环保、节能高效。所以，可将两者集成起来，开发兼具“收声”与“发声”效果的一体化系统。
同时，该器件也可与集成电路技术相结合，将收集到的声音信号数据存储在芯片中，在连接解码器时能够播放音频，最后再通过专用电路对声音进行放大和转换。
而随着人工智能算法的发展，对非结构化数据的处理受到关注，该器件也可作为积累声音文件的“数据源”，与机器学习相结合，实现高度精确的声音分辨功能。
同时，该器件也可与集成电路技术相结合，将收集到的声音信号数据存储在芯片中，在连接解码器时能够播放音频，最后再通过专用电路对声音进行放大和转换。
在压力传感方向上，传统的柔性压力传感器不能同时实现自驱动和输出稳定信号的功能，这些缺点限制了其在各先进智能领域的应用。基于上述问题以及该团队在压力传感领域的丰富研究基础，利用原电池-传感器转换机制的设计，课题组目前已开发出一系列自驱动传感器，实现了原电池与传感器的一体化集成创新。
在制备了具有纳米堆叠层状结构的氧化石墨烯（GO，graphene oxide）膜的基础上，他们还研究了水合度对 GO 膜离子导电性的影响规律，证实了高水合度对 GO 离子电导率的增强作用以及 GO 层间的压力可调控性能。
此外，利用泡沫金属的多孔结构和导电性，刘逆霜和团队将其作为水分子进入端的电极，进一步探究了水合度对 GO 膜的调控作用，考察了原电池传感器的自驱动能力和非接触式应用。
（来源：ACS Nano）
据介绍，该类型器件能够兼具自驱动与输出稳定信号的优势。因此在未来，这类型器件将是团队重要的发展研究方向之一。
据悉，刘逆霜对传感领域的关注与研究始于其在武汉大学的求学阶段。回忆读博时期，最令他记忆犹新的是光刻实验。光刻需要在超净间中进行，全封闭的无尘服和口罩、常需要待一整天才能完成的精密工艺……都极其考验人的意志。
如今作为导师，他表示自己感受到的是更多的责任。他说自己对学生提出最多的要求就是要“多读文献”，在调研积累中才能锻炼出对研究方向的精准把控和判断能力。他还戏称自己让学生们不仅研究“自驱动”、也要积极“自驱动”。
刘逆霜说自己还有很多设想等着实现，自驱动传感、离子晶体管等都是未来努力的方向。他说：“想尝试让基础科研不只停留在实验室里，更能走出去、出现在市场上，真正实现商业化，为大众所用。”
-End-
1、Su, T., Liu, N., Lei, D., Wang, L., Ren, Z., Zhang, Q., ... (2022). Flexible MXene/Bacterial Cellulose Film Sound Detector Based on Piezoresistive Sensing Mechanism. ACS nano.
2、Su, T., Liu, N., Gao, Y., Lei, D., Wang, L., Ren, Z., ... (2021). MXene/cellulose nanofiber-foam based high performance degradable piezoresistive sensor with greatly expanded interlayer distances. Nano Energy.
3、Lei, D., Liu, N., Su, T., Zhang, Q., Wang, L., Ren, Z., ... (2022). Roles of MXenes in pressure sensing: preparation, composite structure design and mechanism. Advanced Materials.
4.、Lei, D., Liu, N., Zhang, Q., Su, T., Wang, L., Ren, Z., ... (2022). Self-powered graphene oxide humidity sensor based on potentiometric humidity transduction mechanism. Advanced Functional Materials.
5、Lei, D., Liu, N., Zhang, Q., Su, T., Wang, L., Ren, Z., ... (2022). An ion channel-induced self-powered flexible pressure sensor based on potentiometric transduction mechanism. Advanced Functional Materials.
6、Liu, W., Cheng, Y., Liu, N., Yue, Y., Lei, D., ... (2021). Bionic MXene actuator with multiresponsive modes. Chemical Engineering Journal.
Recommend
About Joyk
Aggregate valuable and interesting links.
Joyk means Joy of geeK