柔性傳感器在人機交互、電子皮膚、觸覺感知、物聯網等應用中至關重要，同時也因其柔韌性、輕質、靈活性、適應性而受到青睞。柔性微結構陣列在壓力傳感方面表現出顯著優勢，如高靈敏度和快速響應，但受到微納制備策略和技術的限制，大多數研究工作局限于常規微結構，如圓柱、金字塔和半球陣列等。另一方面，具備智能的仿生耳朵能夠敏感地檢測聲音并生成意識和邏輯決策能力，具有改變人類生活的極大潛力。高靈敏的壓力傳感器可以感應聲壓，可用于語音識別、語音控制等，但由于設備靈敏度和機器學習算法的探索有限，目前的研究局限于簡單的音素。
近日，東華大學黃中杰教授團隊及合作者介紹了一種簡單、通用、且與傳統模板法兼容的柔性空心微結構陣列的制備策略與方法（氣泡法），并在此基礎上結合了微球模板法報道了基于柔性空心微結構陣列的高級分層空心微結構，降低傳感單元的模量。基于此柔性材料的超靈敏柔性壓阻傳感器具備6.9x103?kPa-1超高機械靈敏度和優異的循環穩定性，以及100-1500 Hz頻率范圍的高靈敏聲學響應（例如對300 Hz頻率的聲音具有業內領先的4.0×103?kPa-1的靈敏度）。在智能人工耳膜的應用中，77首包含不同性別藝術家、語言和音樂風格的歌曲片段（來自林俊杰、鄧紫棋、披頭士、皇后樂隊等）通過揚聲器播放并由智能人工耳膜記錄信號，利用機器學習可實現100%（訓練集）和97.7%（測試集）的識別正確率。此工作證明了基于柔性微結構創新和先進機器學習算法的超靈敏智能人工耳膜在人機交互方面具有巨大潛力。相關研究以“Intelligent Song Recognition via a Hollow- Microstructure-Based, Ultrasensitive Artificial Eardrum”為題發表在Advanced Science期刊上。圖
1. 基于壓阻式傳感器的智能人工耳膜的設計原理，具有創新的單元架構的柔性微結構陣列。此研究設計并制備了一系列金字塔形微觀結構：S-0
是傳統的實心微結構，S-1 是基于氣泡法實現的空心微結構，S-2
是進一步結合了微球模板制備的高級分層空心微結構。這一系列設計通過結構創新降低了微結構的等效模量。
圖 2. 基于 S-0、S-1 和 S-2 陣列的 SEM圖表征。圖 3. 傳感器 S-0、S-1 和 S-2 的壓力和聲學傳感性能的系統研究。圖 4. 通過有限元分析模擬的傳感器的傳感機制。相同外部壓力下的應力分布圖表明結構越復雜，應力集中效應越大。具有相同縱向形變量時的應力分布圖表明結構越復雜，所需的力越輕微。圖 5. S-2用作智能人工耳膜的“聽歌識曲”探索。包含機器學習流程圖，歌曲片段電信號以及通過短時傅里葉變換獲得的聲譜，訓練集和測試集的迭代曲線及結果圖。
作者團隊開發了一種受人工耳膜啟發、基于柔性中空微結構陣列的傳感器件，實現了超靈敏的壓力傳感，以及智能“聽歌識曲”。作者報道了一種普適且基礎的方法，通過在彈性體固化過程中操控氣泡生成空心微結構，該方法具有良好的可控性，能夠精確掌控中心球形孔的大小和位置，也廣泛兼容于模板法。研究結果突顯了基于空心微結構傳感器的卓越性能，表明其在人機交互和可穿戴聲學技術中的潛在應用前景。
http://doi.org/10.1002/advs.202405501
