《ACSNano》超靈敏自清潔聲學傳感器！

　　人機交互通過雙邊信息交換將人和機器連接起來，在智能家電、虛擬現實、工業自動化和個性化醫療等方面有著廣泛的應用前景。在各種生物信號中，人的聲音在時間、頻率和振幅等方面具有巨大的信息傳遞潛力。然而，傳統的語音識別系統(VRSs)在背景噪聲與環境污染存在的情況下，對語音的精確檢測一直面臨著挑戰。

　　近日，南洋理工大學Jianing An教授，韓國高等科學技術研究院Young-Jin Kim教授與南京工業大學孫耿志教授合作，提出了一種基于還原石墨烯氧化物/聚二甲基硅氧烷復合膜的皮膚自清潔、超靈敏、超快的聲傳感器。得益于蜘蛛裂隙狀多尺度鋸齒狀微裂紋和蓮葉狀層次結構的協同作用，此超疏水傳感器具備超高靈敏度(GF = 8699),超低檢測極限 (ε=0.000 064%)，超快響應行為（107μs），出色的設備耐久性(> 10,000循環)，可靠地檢測超過可聽頻率范圍(20?20,000 Hz)的高信噪比的聲學振動。相關研究成果以題為“Ultrasensitive Anti-Interference Voice Recognition by Bio-Inspired Skin-Attachable Self-Cleaning Acoustic Sensors”發表在《ACS NANO》上（見文后原文鏈接）。

　　1、優異的自清潔性

　　該研究中，為了實現超疏水導電傳感膜，將超短飛秒激光脈沖輻射到涂覆在PDMS襯底上的氧化石墨烯薄膜上，同時實現氧化石墨烯的光還原和PDMS的光熱分解。通過單步FsLDW圖形化，恢復了石墨烯的導電性，有效地在石墨烯表面形成了荷葉狀的層次結構，并獲得了自清潔（疏水角162°）性能。

圖一 聲學傳感器的超疏水/自清潔性能

　　2、優異的應變檢測性能

　　長而平行的微裂紋隨后產生在一個矩形(15毫米×5毫米)在一根金屬棒上彎曲薄膜，使其以10 mm·s-1的最佳書寫速度制成的復合薄膜。隨后測得傳感器具有超高的傳感性能響應度GF=8699),超低檢測極限（ε= 0.000 064%）,超快的響應時間（107μs）,良好的耐久性超過10000次循環。

圖二 傳感器的力電性能

　　3、高分辨率的聲音檢測性能

　　微裂紋的瞬間斷開或重新連接使我們的傳感器能夠檢測到超高頻機械振動。為了演示這種能力，一個壓電驅動器被裝備到機械調制的正弦波形懸應變傳感器，以便發揮機械應變在一個廣泛的頻率范圍（1-20000Hz）；實時監測傳感器的電阻變化。實驗證明了有裂紋的傳感器信號輸出大大增強，并且具備超高分辨率的聲音信號識別功能。

圖三 傳感器的聲學檢測信號

　　4、精確的語音識別

　　皮膚可附加裝置的傳感性能為其在語音控制語音識別中的應用提供了良好的前景。首先，在一個安靜的環境中，通過皮膚連接的聲學傳感器和一個參考麥克風記錄女性揚聲器發出的不同字母(NTU)(背景聲音為～45db聲壓級，SPL)。其次，再次在嘈雜的環境中進行語音記錄(背景聲音為～90db SPL)。該傳感器獲得了比麥克風更好的聲音信號。最后，其他說話者重復相同的發音(如圖所示)，顯示獨特的波形和光譜圖，女性揚聲器的基頻和諧波頻率比男性揚聲器的基頻和諧波頻率更高、更窄。該傳感器表現了在語音識別領域的廣闊應用前景。

圖四 語音識別測試

　　小結

　　總的來說,作者從蜘蛛的縫隙器官和荷葉的自然結構中獲得靈感，成功地設計并制備了基于石墨烯的超敏自清潔聲傳感器。傳感器表面具有超疏水性，水接觸角為162°，滑動角為1°。復合膜中微裂紋的產生導致了鋸齒狀裂紋邊緣和多尺度裂紋間隙的形成，擴大了超敏應變傳感的間隙位移，加快了超快響應的斷開-重連速率。這些優點使傳感器具有超高的靈敏度、超低的檢測限、超快的響應時間和優異的耐久性。此外，通過將聲傳感器安裝在頸部，實現對聲音信號在聲頻范圍內的感知，并利用該傳感器在非常嘈雜的環境中識別基于聲帶振動的多種語音模式。因此，它可以被設想為未來語音控制的人機界面的一個有前途的選擇。

　　全文鏈接：

　　https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06354