传感 | ACS Nano | MXene/细菌纤维素薄膜用于可穿戴声音探测器

研究速览

■ 近日，华中科技大学刘逆霜副教授团队在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Flexible MXene/bacterial cellulose film sound detector based on piezoresistive sensing mechanism”的研究论文。该论文利用MXene/BC薄膜可调节的层状结构能感知微小压力的特性制备可降解的纸基压力传感器，并对其在高灵敏度传感领域作为可穿戴声音探测器的应用进行研究。

Part1

▉ 研究摘要 ▉

■ 人类通过声音感知世界。声音的本质是振动，能通过固、液、气体等介质以具有一定压强和位移的机械波的形式传递。人类可以使用听觉传感器接收空气传播的振动来辨别声音；而传统的声音识别方法是将声信号以二进制数据的形式采集、存储和分析。但当疾病造成发声障碍时，及时向外界传递信息便受到了阻碍，因此探索利用其他信号代替声音信号进行信息沟通的设备尤为重要。

■ 鉴于此，华中科技大学刘逆霜副教授课题组研究报道了MXene/BC薄膜在高灵敏度传感领域作为可穿戴声音探测器的应用。制备的器件具有优越的压力传感性能，并能识别运动信号。当与喉咙皮肤贴合时，可以对人体语音信号进行探测和分辨。此外，该设备能够模拟耳膜，感知声音传递引起的空气压力波，对自然声信号进行量化分析。本工作还探索了该器件在声音可视化技术中的应用，记录声音形态的同时达成使用画面对声音内容进行呈现的目的。

Part2

▉ 研究要点1 ▉

■ 本文工作利用真空抽滤制备BC插层的MXene薄膜，并以普通纸张为基板制备可降解的纸基压力传感器。利用不导电的BC纤维插层MXene纳米片的方式构建立体式隔离层结构，增大电阻的调制空间，提升器件的灵敏度。制备的器件具有优越的综合传感性能，并能精准地识别人体运动信号。

图1. MXene/BC薄膜的物理化学表征及压力传感机制示意图

图2. MXene/BC薄膜的压力传感性能

▉ 研究要点2 ▉

■ 作为可穿戴声音探测器时，该器件能通过监测喉部肌肉运动对语音信号的最小结构单元与声音属性的变化进行采集识别；同时，相同语音在发声/不发声时的相似信号为发音障碍问题提供了解决方法。当暴露于空气中时，该传感器能够模拟耳膜，感知声音传递引起的空气压力波，并对不同声音加以区分，为量化不同样本在自然声景中的含义和成分奠定了基础；同时，低频采样的方式简化了声音的收集途径。此外，本工作还探索了该器件在声音成像方面的应用，通过感官联觉的形式让抽象的声音信号趣味化，通过对朗诵信号和回旋乐曲声波的探测实现了对声音形态的捕捉和呈现。

图 3. MXene/BC薄膜对人体运动信号的检测和语音信号的识别

图 4. MXene/BC薄膜对自然声信号的分辨和在声音可视化技术中的应用

Part3

▉ 研究总结 ▉

■ 本文工作利用不导电的BC纤维插层MXene纳米片的方式构建立体式隔离层结构，制造较多的可变化的导电接触点，增大电阻的调制空间，对器件性能进行优化。采用简易的制造工艺和安全环保的原材料制备高效的实用性器件。介绍了使用压阻传感原理检测声音信号、识别不同声源及声音属性变化、进行声音可视化研究的方法。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03155

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