一文詳解基于摩擦納米發(fā)電機的自驅(qū)動聽覺傳感系統(tǒng)

引言

隨著智能機器人的發(fā)展，我們將面臨許多重要的挑戰(zhàn)。聽覺系統(tǒng)作為人與機器人最有效和最直接的溝通渠道，需要機器人不僅可以聽從我們的指令，而且需要感知我們的語氣語調(diào)，這樣才能實現(xiàn)人與機器人的真正社交化。為了實現(xiàn)機器人的社交化，我們的聽覺傳感器件需要在寬的頻帶上表現(xiàn)出超強的靈敏特性。另一方面，全球有接近10%的人口存在聽力障礙，通過外部聽覺輔助設(shè)備輔助聽障人士的日常交流對于機器人的社交化同樣重要。通常聽障人士的聽覺系統(tǒng)僅僅對某個或者某些特征頻段的聲音不靈敏，外部助聽設(shè)備的功能就是放大該特征頻段的聲音，使得其能夠被使用者聽見。為了實現(xiàn)上述的聽覺功能，傳統(tǒng)的聽覺以及助聽系統(tǒng)均極大依賴電路以及信號處理的輔助，考慮機器人系統(tǒng)大量的傳感器件的使用，這將增大能量的損耗，縮短其工作周期。因此從傳感器件角度，開發(fā)具有高靈敏度，寬頻特性，頻率選擇特性的自驅(qū)動聽覺傳感器件是為解決機器人社交化以及能源挑戰(zhàn)的有效方案。

成果簡介

2018年7月25日，重慶大學胡陳果教授、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王杰研究員，王中林院士（共同通訊作者）等人在Science Robotics發(fā)表了題為“A highly sensitive, self-powered triboelectric auditory sensor for social robotics and hearing aids”的研究論文，郭恒宇，蒲賢潔，陳杰為論文共同第一作者。該論文報道了采用摩擦納米發(fā)電技術(shù)發(fā)開的圓片式自驅(qū)動單通道人工耳蝸，通過器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高靈敏度寬頻響應(yīng)以及頻選特性，展示了其在社交機器人聽覺系統(tǒng)以及外部助聽設(shè)備中的潛在應(yīng)用價值。相比傳統(tǒng)的壓電式人工耳蝸，摩擦電技術(shù)具有中低頻寬頻響應(yīng)特性，這基本覆蓋了人們?nèi)粘＝涣鞯穆?a target="_blank">音頻段，摩擦電技術(shù)具有更高的信號輸出強度，單通道以及制備簡單廉價等特點。該研究結(jié)果展示了摩擦納米發(fā)電技術(shù)在解決下一代智能機器人挑戰(zhàn)中巨大的應(yīng)用前景。

圖一：摩擦電聲音傳感器件的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

（A）摩擦電聽覺傳感器件構(gòu)建的社交機器人示意圖；（B）摩擦電聲音傳感器件的基本結(jié)構(gòu)；（C）摩擦層材料表面刻蝕粗糙化（增強表面電荷密度和信號輸出強度）；（D）摩擦電聲音傳感器件（圓片式，可透明）；（E）聲音傳感器件的結(jié)構(gòu)分解示意圖；（F）震動薄膜在不同頻率激勵下的模式模擬；（G）自驅(qū)動聲音傳感器件的信號產(chǎn)生原理。

圖二：摩擦電聲音傳感器件的基本輸出特性

（A）基本聲音傳感器件的性能影響參數(shù)示意圖；（B）基本聲音傳感器件在掃頻下的信號輸出曲線；（C）振動薄膜直徑對于頻譜特性的影響；（D）振動薄膜厚度對于頻譜特性的影響；（E）摩擦電聲音傳感器件在不同分貝下的信號強度以及靈敏度測試；（F）摩擦電聲音傳感器件的方向傳感特性；（G）基于摩擦電聲音傳感器件的聲控系統(tǒng)電路模塊；（H）聲控燈系統(tǒng)；（I）透明摩擦電聲音傳感器件構(gòu)建的防盜系統(tǒng)。

圖三：摩擦電聽覺傳感器件設(shè)計實現(xiàn)寬頻特性以及頻選特性

（A）同心圓環(huán)邊界條件的引入結(jié)構(gòu)示意圖；（B）圓環(huán)形薄膜在掃頻下的特征輸出信號曲線；（C）圓環(huán)形薄膜尺寸參數(shù)對于頻譜特性的影響；（D）基本摩擦電聲音傳感器件與引入圓環(huán)形邊界的傳感器件輸出信號曲線對比；（E）引入不同圓環(huán)形邊界的傳感器頻譜特性對比；（F）分割扇形邊界條件的引入結(jié)構(gòu)示意圖；（G）分割扇形薄膜在掃頻下的特征輸出信號曲線；（H）分割扇形薄膜尺寸參數(shù)對于頻譜特性的影響；（I）基本摩擦電聲音傳感器件與引入扇形邊界的傳感器件輸出信號曲線對比；（J）引入分割扇形傳感器件的頻譜特性。

圖四：摩擦電聽覺傳感器件用于高品質(zhì)聲音記錄以及人聲識別

（A）安裝有摩擦電聽覺傳感器件的機器人；（B）原始的音樂以及摩擦電聽覺傳感器件記錄的聲波信息；（C）頻域下的聲譜信息對比；（D）不同人說“Hello”時的聲波曲線；（E）聲音的功率譜以及頻域聲譜信息對比；（F）演示摩擦電聽覺傳感器的人聲識別應(yīng)用。

圖五：摩擦電聽覺傳感器件用于外部助聽器件

（A）基于摩擦電聽覺傳感器的助聽系統(tǒng)應(yīng)用場景；（B）傳統(tǒng)助聽系統(tǒng)的信號處理流程；（C）具有頻選特性的摩擦電聽覺傳感器助聽系統(tǒng)信號處理流程；（D）摩擦電聽覺傳感器件的頻選特性頻譜；（E）正常聲音，軟件特征頻率削弱聲音以及摩擦電聽覺傳感器恢復聲音的聲波曲線以及頻域聲譜信息。