可穿戴聲學(xué)傳感中的材料、應(yīng)用和技術(shù)突破綜述

聲音在我們對(duì)世界的感知中起著至關(guān)重要的作用。它使我們能夠交流、學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)、診斷疾病等。然而，傳統(tǒng)的聲學(xué)傳感器由于形狀尺寸的限制、過于剛性且笨重的特點(diǎn)，限制了其潛在應(yīng)用。 柔性可穿戴聲波技術(shù)由于其功耗低、體積小、易于制造和無源/無線能力等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子、傳感、聲流控和芯片實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，近年來引起了人們的極大關(guān)注。近幾年來，在下一代基于聲波的柔性傳感器和電子器件的合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)開發(fā)、制造和表征方面，科研界做出了巨大努力和卓有成效的工作。

東華大學(xué)朱美芳院士、嚴(yán)威教授在Advanced Materials發(fā)表了題為“Insights into Materials, Physics and Applications in Flexible and Wearable Acoustic Sensing Technology”的綜述性論文，全面探討了柔性可穿戴聲學(xué)傳感技術(shù)在材料、物理、設(shè)計(jì)原理、制造策略、功能和應(yīng)用方面的最新科學(xué)和技術(shù)突破，并進(jìn)行了相應(yīng)的深入分析。

研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)介紹了新一代聲學(xué)傳感器，它們可以辨識(shí)聲音、進(jìn)行機(jī)器交互、控制機(jī)器人、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀況、診斷人體生物組織的生命體征，并進(jìn)行器官成像。這些創(chuàng)新為醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)、可穿戴裝備、機(jī)器人技術(shù)和元宇宙等領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新和獨(dú)特的解決方案。此篇綜述同時(shí)討論了該領(lǐng)域現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來的機(jī)遇，并提供了推動(dòng)聲學(xué)傳感技術(shù)發(fā)展以吸引真實(shí)世界應(yīng)用并激發(fā)新的研究方向的策略。

聲音探測(cè)因其科學(xué)和技術(shù)上的重要性而一直備受關(guān)注。聲學(xué)與材料科學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)的融合正在產(chǎn)生新一代柔性可穿戴聲學(xué)傳感器，其特點(diǎn)是高柔性、超輕重量、極佳的保形性和不可感知性。

這種截然不同的聲學(xué)傳感技術(shù)包括不同尋常的形狀因素，如皮膚貼片和薄膜、納米膜、金字塔紋身、納米纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的纖維和紗線，以及日常衣物。材料結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、系統(tǒng)集成和制造方法等方面的創(chuàng)新賦予了這一平臺(tái)在廣泛聲頻范圍內(nèi)的廣泛適用性，以及與傳統(tǒng)同類產(chǎn)品相媲美的傳感精度和可靠性。

通過協(xié)同利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的力量，靈活的可穿戴聲學(xué)傳感技術(shù)正在成為一種變革性技術(shù)，為蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、元宇宙以及個(gè)性化和精準(zhǔn)醫(yī)療提供支持。

聲學(xué)傳感



聲學(xué)傳感器的關(guān)鍵制造方法



具有各種設(shè)計(jì)的電磁和壓阻聲學(xué)傳感器



具有各種設(shè)計(jì)的電容式聲學(xué)傳感器



具有各種設(shè)計(jì)的壓電聲學(xué)傳感器



具有各種設(shè)計(jì)的摩擦電和光學(xué)聲學(xué)傳感器



具有各種設(shè)計(jì)的光學(xué)聲學(xué)傳感器



用于聲學(xué)檢測(cè)、通信和控制應(yīng)用的聲學(xué)傳感器



用于水下監(jiān)聽的聲學(xué)傳感器



用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的聲學(xué)傳感器



可穿戴聲音設(shè)備在醫(yī)療保健中的應(yīng)用



聲學(xué)傳感器和人工智能相結(jié)合的應(yīng)用



聲學(xué)傳感器的發(fā)展和未來趨勢(shì)

總結(jié)與展望

在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，聲學(xué)設(shè)備取得了顯著進(jìn)步。它們已經(jīng)從最早的碳纖維麥克風(fēng)和最近的手持式音頻電子麥克風(fēng)（剛性和笨重）發(fā)展到最先進(jìn)的薄膜和紡織品形狀的聲學(xué)傳感器（柔性和可穿戴）。這一演變意味著先進(jìn)性的重大飛躍，可滿足各種應(yīng)用不斷變化的需求。

過去十年間，柔性可穿戴聲學(xué)傳感器在傳感機(jī)制、新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造策略方面都取得了進(jìn)步，從而大大提高了這一新興技術(shù)的傳感性能。盡管過去十年取得了巨大進(jìn)步，但仍存在許多科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。有鑒于此，我們提出了自己的見解，以促進(jìn)該領(lǐng)域的不斷進(jìn)步和發(fā)展：

1

應(yīng)開發(fā)包括聚合物、碳材料、生命材料和復(fù)合材料在內(nèi)的各種先進(jìn)材料，以擴(kuò)展聲學(xué)傳感能力。

2

未來的聲學(xué)傳感器需要在復(fù)雜的環(huán)境中使用，例如在人體內(nèi)、身體上或機(jī)器中，而且應(yīng)該是便攜式、可穿戴式或植入式的。為了滿足這些要求。它們應(yīng)該小型化、輕量化和高度集成化。此外，考慮到在各種應(yīng)用中需要將設(shè)備集成到曲面或可拉伸表面上，這些聲學(xué)傳感器應(yīng)具有各種外形尺寸，從導(dǎo)線和貼片到薄膜和紡織品。

3

在各種應(yīng)用中使用聲學(xué)傳感器時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素以確保其使用和性能，包括長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)對(duì)水、熱或鹽的穩(wěn)定性、功耗、成本和批量生產(chǎn)。因此應(yīng)采用耐用材料和有效的封裝設(shè)計(jì)，使其能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4

開發(fā)低功耗聲學(xué)傳感器系統(tǒng)仍然是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，需要從機(jī)制、材料、設(shè)備、系統(tǒng)、通信、計(jì)算和電源等多方面優(yōu)化傳感器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，為了確保經(jīng)濟(jì)效益，降低成本對(duì)于工業(yè)兼容的大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。此外，提高聲學(xué)傳感器創(chuàng)新能力的一些可行解決方案包括：制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、提高耐用性和集成度、采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、探索綠色和可持續(xù)的制造路線以及采用智能制造。

5

將聲學(xué)傳感與其他先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行多學(xué)科融合，可在機(jī)器人、太空探索、精準(zhǔn)醫(yī)療和元宇宙等高科技領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

對(duì)于機(jī)器人來說，聲學(xué)傳感器使其具備聽覺能力，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)人機(jī)交互和機(jī)器人環(huán)境感知能力。例如，穿戴在機(jī)器人身上的聲學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別和語音生成，從而實(shí)現(xiàn)更高效的人機(jī)交互。此外，聲學(xué)傳感器還可以幫助機(jī)器人識(shí)別障礙物并避免碰撞。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，可穿戴聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)了有效的醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測(cè)，如深層心臟監(jiān)測(cè)。通過引入聲學(xué)傳感器，診斷的準(zhǔn)確性大大提高，健康問題可以在早期被檢測(cè)出來。

在太空探索領(lǐng)域，聲學(xué)傳感器有望賦予空間探測(cè)器聲學(xué)感知能力，有助于更好地了解太空環(huán)境，并為未來的太空探索提供更好的保證。聲學(xué)傳感器還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太空中的塵埃、氣體和物質(zhì)的檢測(cè)，有利于評(píng)估太空環(huán)境的安全性，并為太空旅行設(shè)計(jì)更安全的路線。

此外，聲學(xué)傳感器在通過允許用戶以更沉浸、更增強(qiáng)的方式感知和與環(huán)境進(jìn)行交互來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。將聲學(xué)傳感器與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于增強(qiáng)用戶體驗(yàn)和拓展增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可能性具有巨大潛力。借助靈活可穿戴的聲學(xué)傳感器的能力，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以變得更加沉浸、交互和環(huán)境感知，為娛樂、教育、培訓(xùn)和各種其他行業(yè)開辟了新的途徑。

總之，未來聲學(xué)傳感將對(duì)許多關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，并成為技術(shù)進(jìn)步的巨大推動(dòng)力。

審核編輯：劉清