研究速覽

■?近日，華中科技大學(xué)劉逆霜副教授團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊ACS Nano上發(fā)表題為“Flexible MXene/bacterial cellulose film sound detector based on piezoresistive sensing mechanism”的研究論文。該論文利用MXene/BC薄膜可調(diào)節(jié)的層狀結(jié)構(gòu)能感知微小壓力的特性制備可降解的紙基壓力傳感器，并對其在高靈敏度傳感領(lǐng)域作為可穿戴聲音探測器的應(yīng)用進(jìn)行研究。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?人類通過聲音感知世界。聲音的本質(zhì)是振動，能通過固、液、氣體等介質(zhì)以具有一定壓強(qiáng)和位移的機(jī)械波的形式傳遞。人類可以使用聽覺傳感器接收空氣傳播的振動來辨別聲音；而傳統(tǒng)的聲音識別方法是將聲信號以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式采集、存儲和分析。但當(dāng)疾病造成發(fā)聲障礙時(shí)，及時(shí)向外界傳遞信息便受到了阻礙，因此探索利用其他信號代替聲音信號進(jìn)行信息溝通的設(shè)備尤為重要。

■?鑒于此，華中科技大學(xué)劉逆霜副教授課題組研究報(bào)道了MXene/BC薄膜在高靈敏度傳感領(lǐng)域作為可穿戴聲音探測器的應(yīng)用。制備的器件具有優(yōu)越的壓力傳感性能，并能識別運(yùn)動信號。當(dāng)與喉嚨皮膚貼合時(shí)，可以對人體語音信號進(jìn)行探測和分辨。此外，該設(shè)備能夠模擬耳膜，感知聲音傳遞引起的空氣壓力波，對自然聲信號進(jìn)行量化分析。本工作還探索了該器件在聲音可視化技術(shù)中的應(yīng)用，記錄聲音形態(tài)的同時(shí)達(dá)成使用畫面對聲音內(nèi)容進(jìn)行呈現(xiàn)的目的。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?本文工作利用真空抽濾制備BC插層的MXene薄膜，并以普通紙張為基板制備可降解的紙基壓力傳感器。利用不導(dǎo)電的BC纖維插層MXene納米片的方式構(gòu)建立體式隔離層結(jié)構(gòu)，增大電阻的調(diào)制空間，提升器件的靈敏度。制備的器件具有優(yōu)越的綜合傳感性能，并能精準(zhǔn)地識別人體運(yùn)動信號。

圖1.?MXene/BC薄膜的物理化學(xué)表征及壓力傳感機(jī)制示意圖

圖2.?MXene/BC薄膜的壓力傳感性能

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作為可穿戴聲音探測器時(shí)，該器件能通過監(jiān)測喉部肌肉運(yùn)動對語音信號的最小結(jié)構(gòu)單元與聲音屬性的變化進(jìn)行采集識別；同時(shí)，相同語音在發(fā)聲/不發(fā)聲時(shí)的相似信號為發(fā)音障礙問題提供了解決方法。當(dāng)暴露于空氣中時(shí)，該傳感器能夠模擬耳膜，感知聲音傳遞引起的空氣壓力波，并對不同聲音加以區(qū)分，為量化不同樣本在自然聲景中的含義和成分奠定了基礎(chǔ)；同時(shí)，低頻采樣的方式簡化了聲音的收集途徑。此外，本工作還探索了該器件在聲音成像方面的應(yīng)用，通過感官聯(lián)覺的形式讓抽象的聲音信號趣味化，通過對朗誦信號和回旋樂曲聲波的探測實(shí)現(xiàn)了對聲音形態(tài)的捕捉和呈現(xiàn)。

圖 3.?MXene/BC薄膜對人體運(yùn)動信號的檢測和語音信號的識別

圖 4.?MXene/BC薄膜對自然聲信號的分辨和在聲音可視化技術(shù)中的應(yīng)用

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?本文工作利用不導(dǎo)電的BC纖維插層MXene納米片的方式構(gòu)建立體式隔離層結(jié)構(gòu)，制造較多的可變化的導(dǎo)電接觸點(diǎn)，增大電阻的調(diào)制空間，對器件性能進(jìn)行優(yōu)化。采用簡易的制造工藝和安全環(huán)保的原材料制備高效的實(shí)用性器件。介紹了使用壓阻傳感原理檢測聲音信號、識別不同聲源及聲音屬性變化、進(jìn)行聲音可視化研究的方法。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03155

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