可穿戴聲學傳感中的材料、應用和技術突破綜述

聲音在我們對世界的感知中起著至關重要的作用。它使我們能夠交流、學習、發現潛在危險、診斷疾病等。然而，傳統的聲學傳感器由于形狀尺寸的限制、過于剛性且笨重的特點，限制了其潛在應用。 柔性可穿戴聲波技術由于其功耗低、體積小、易于制造和無源/無線能力等優點，在可穿戴電子、傳感、聲流控和芯片實驗室等領域有著廣泛的應用，近年來引起了人們的極大關注。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計結構的技術開發、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。

東華大學朱美芳院士、嚴威教授在Advanced Materials發表了題為“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傳感技術在材料、物理、設計原理、制造策略、功能和應用方面的最新科學和技術突破，并進行了相應的深入分析。

研究團隊重點介紹了新一代聲學傳感器，它們可以辨識聲音、進行機器交互、控制機器人、監測結構健康狀況、診斷人體生物組織的生命體征，并進行器官成像。這些創新為醫療保健、生物醫學、可穿戴裝備、機器人技術和元宇宙等領域的重大挑戰提供了創新和獨特的解決方案。此篇綜述同時討論了該領域現有的挑戰和未來的機遇，并提供了推動聲學傳感技術發展以吸引真實世界應用并激發新的研究方向的策略。

聲音探測因其科學和技術上的重要性而一直備受關注。聲學與材料科學、電子學和信息科學的融合正在產生新一代柔性可穿戴聲學傳感器，其特點是高柔性、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傳感技術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、納米纖維網結構復雜的纖維和紗線，以及日常衣物。材料結構、設備配置、系統集成和制造方法等方面的創新賦予了這一平臺在廣泛聲頻范圍內的廣泛適用性，以及與傳統同類產品相媲美的傳感精度和可靠性。

通過協同利用機器學習和人工智能的力量，靈活的可穿戴聲學傳感技術正在成為一種變革性技術，為蓬勃發展的物聯網、增強現實、元宇宙以及個性化和精準醫療提供支持。

聲學傳感



聲學傳感器的關鍵制造方法



具有各種設計的電磁和壓阻聲學傳感器



具有各種設計的電容式聲學傳感器



具有各種設計的壓電聲學傳感器



具有各種設計的摩擦電和光學聲學傳感器



具有各種設計的光學聲學傳感器



用于聲學檢測、通信和控制應用的聲學傳感器



用于水下監聽的聲學傳感器



用于結構健康監測的聲學傳感器



可穿戴聲音設備在醫療保健中的應用



聲學傳感器和人工智能相結合的應用



聲學傳感器的發展和未來趨勢

總結與展望

在應用需求的推動下，聲學設備取得了顯著進步。它們已經從最早的碳纖維麥克風和最近的手持式音頻電子麥克風（剛性和笨重）發展到最先進的薄膜和紡織品形狀的聲學傳感器（柔性和可穿戴）。這一演變意味著先進性的重大飛躍，可滿足各種應用不斷變化的需求。

過去十年間，柔性可穿戴聲學傳感器在傳感機制、新材料和結構設計以及制造策略方面都取得了進步，從而大大提高了這一新興技術的傳感性能。盡管過去十年取得了巨大進步，但仍存在許多科學和技術挑戰。有鑒于此，我們提出了自己的見解，以促進該領域的不斷進步和發展：

1

應開發包括聚合物、碳材料、生命材料和復合材料在內的各種先進材料，以擴展聲學傳感能力。

2

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

3

在各種應用中使用聲學傳感器時，需要考慮幾個因素以確保其使用和性能，包括長期運行時對水、熱或鹽的穩定性、功耗、成本和批量生產。因此應采用耐用材料和有效的封裝設計，使其能夠長期穩定運行。

4

開發低功耗聲學傳感器系統仍然是一項技術挑戰，需要從機制、材料、設備、系統、通信、計算和電源等多方面優化傳感器和系統設計。此外，為了確保經濟效益，降低成本對于工業兼容的大規模生產至關重要。此外，提高聲學傳感器創新能力的一些可行解決方案包括：制定測試標準、提高耐用性和集成度、采用計算機輔助設計、探索綠色和可持續的制造路線以及采用智能制造。

5

將聲學傳感與其他先進技術進行多學科融合，可在機器人、太空探索、精準醫療和元宇宙等高科技領域取得重大進展。

對于機器人來說，聲學傳感器使其具備聽覺能力，從而實現高級人機交互和機器人環境感知能力。例如，穿戴在機器人身上的聲學傳感器可以實現語音識別和語音生成，從而實現更高效的人機交互。此外，聲學傳感器還可以幫助機器人識別障礙物并避免碰撞。

在醫療保健領域，可穿戴聲學傳感器實現了有效的醫學診斷和監測，如深層心臟監測。通過引入聲學傳感器，診斷的準確性大大提高，健康問題可以在早期被檢測出來。

在太空探索領域，聲學傳感器有望賦予空間探測器聲學感知能力，有助于更好地了解太空環境，并為未來的太空探索提供更好的保證。聲學傳感器還可以實現對太空中的塵埃、氣體和物質的檢測，有利于評估太空環境的安全性，并為太空旅行設計更安全的路線。

此外，聲學傳感器在通過允許用戶以更沉浸、更增強的方式感知和與環境進行交互來增強現實方面發揮著關鍵作用。將聲學傳感器與增強現實技術相結合，對于增強用戶體驗和拓展增強現實應用的可能性具有巨大潛力。借助靈活可穿戴的聲學傳感器的能力，增強現實可以變得更加沉浸、交互和環境感知，為娛樂、教育、培訓和各種其他行業開辟了新的途徑。

總之，未來聲學傳感將對許多關鍵領域產生重大影響，并成為技術進步的巨大推動力。

審核編輯：劉清