东华大学朱美芳院士/严威教授Advanced Materials：柔性可穿戴声学传感技术

01导读

声音在我们对世界的感知中起着至关重要的作用。它使我们能够交流、学习、发现潜在危险、诊断疾病等。然而，传统的声学传感器的由于形状尺寸的限制、过于刚性且笨重的特点，限制了其潜在应用。最近几年，新型柔性声学传感器从最初的理论研究到如今可穿戴设备及其智能服装的实际应用都取得重大进展。这些设备和服装可以适应柔软、弯曲和可变形的表面或环境，为医疗保健、生物医学等领域的重大挑战提供独特的解决方案。

02 成果掠影

近日，东华大学朱美芳院士、严威教授在《先进材料》（Advanced Materials）发表题为“Insights into Materials, Physics and Applications in Flexible and Wearable Acoustic Sensing Technology”的综述性论文，东华大学为第一单位。该论文对柔性可穿戴声学传感技术的材料、物理和应用做了深刻的剖析。作者认为新型柔性可穿戴声学传感器由于其高柔韧性、超低重量、高生物相容性，以及与传统平台相当的传感精度和可靠性等特点，通过协同利用机器学习和人工智能，灵活可穿戴的声学传感器正在成为一种变革性技术，为蓬勃发展的物联网、元宇宙以及精准医疗实现产业赋能。

03综述概览

图一.声学传感（a）各种声音频率介绍（b）a图中相应的声音频率源（c）声传感的各种传感机制，包括电磁、压阻、电容、压电、摩擦电和光学工作机制（d）基于电磁、压阻、电容、压电、摩擦电和光学工作机制的典型结构。

图二.用于水下监听的声学传感器（a）用于声学传输的压电纤维，其中纤维充当声学接收器或发生器（b）用于水下声学定位的二维压电纤维阵列（c）使用弹性声波设备进行通信（d）水下自供电全光超声波定位和通信

图三.可穿戴声音设备在医疗保健中的应用（a）贴片集成低频机械声传感系统，可监测人体日常活动，如心脏活动和吞咽（b）启用声学纤维的衬衫可以测量心率，甚至可以捕捉心脏声音S1和S2的分裂（c）基于电磁系统的可穿戴设别，可表征深至8毫米组织的生物力学特性（d）生物粘附超声（BAUS）成像设备不仅可以提供坚固舒适的人机界面，而且即使在运动过程中也可以提供深达8cm的组织的良好成像质量（e）一个完全灵活和柔软的超声波成像器，摆脱了刚性电路，在运动过程中实现了良好的成像质量（f）完全集成的超声波成像系统将超声波探头、电池、芯片和无线传输组件集成在一个贴片中（g）用于监测中心血压波形的可佩戴超声设备（h）用于无创三维绘制深层组织模量的可佩戴超声波设备，可为多种疾病的诊断和治疗提供有价值的指导。

图四.声学传感器的发展和未来趋势。左图：声学传感器的发展；右图：（a）声学传感器的基础材料（b）声学传感器的形状结构（c）声学传感器实际工业生产的主要考虑因素（d）声学传感器进一步发展应用的关键技术（e）声学传感器的实际应用场景

04 总结与展望

在应用需求的推动下，声学设备取得了显著的进步。已经从最早的碳麦克风和最近的手持音频电子麦克风发展到最先进的薄膜和织物形状的声学传感器。这种演变意味着复杂度的重大飞跃，以适应不断变化的各种应用的需要。总的来说，在未来，声学传感将对许多关键领域产生重大影响，并成为技术进步的巨大推动力。针对声学传感器未来技术挑战，作者有以下见解：

1.应开发各种先进材料，包括聚合物、碳材料、活性材料和复合材料，以扩展声学传感能力。

2.通过学习自然结构，开发新型声学传感器，以适应复杂环境下的不同应用。

3.采用耐用材料及有效的封装设计，使其能长期稳定运行。

4.智能制造，采用计算机辅助设计、探索绿色和可持续的制造路线，提高耐用性和集成度。

5.跨学科合作，推动声学传感技术的进步性及实用性，促进与云计算、人工智能、5G和物联网集成等其他尖端技术的跨学科合作，为各个行业开辟广泛的可能性。

作者介绍

朱美芳院士，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才，东华大学材料科学与工程学院院长，纤维材料改性国家重点实验室主任，《Advanced Fiber Materials》主编。主要研究纤维材料功能化、舒适化和智能化。提出有机-无机杂化制备纤维的新概念，建立了杂化纤维功能耦合和传递机制，开发了杂化纤维的连续化制备新技术。先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等国家及省部级科研任务30余项。以第一完成人获国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖等10余项；获第五届全国优秀科技工作者、第七届中国青年女科学家奖、何梁何利科学与技术青年创新奖、桑麻基金会纺织杰出青年学者奖、中青年有突出贡献专家等荣誉称号。

严威教授，“国家高层次青年人才”专家，中国“35岁以下科技创新35人”（麻省理工科技评论），“上海市领军人才”专家。东华大学材料科学与工程学院及纤维材料改性国家重点实验室研究员、博士生导师。曾任新加坡南洋理工大学“南洋助理教授”，材料科学与工程学院及电子与电气工程学院双聘，博士生导师。美国麻省理工学院MIT博士后，瑞士联邦理工学院EPFL博士。从事智能材料、柔性电子、纤维电子与光电子、智能与计算织物的基础与应用研究。以通讯/第一作者在Nature、Nature Nanotechnology等发表论文30余篇。

封面来源于图虫创意