研究背景

声音的本质是振动，它可以通过介质(固体、液体、气体等)传播，以带有压力和位移的机械波形式传递。听觉传感器通过接收空气中的振动帮助人类识别声音，同时将声音作为二进制数据进行采集、存储和分析是最常见的方式。当一个人由于某些疾病状况而无法在身体上发声时，例如由于嘴唇/舌头/腭部肌肉无力而无法发声，别人怎么能知道他想说什么?在留声机改写了声音短暂的寿命后，人们的视听体验需求也随之增加，因此声音可视化技术开始出现在公众视野。

最近，疾病诊断、身体监督等问题的增加，引起了人们对模仿电子皮肤的压力和应变传感器的关注。压力传感器，可以按照一定的规则将压力信号转化为电信号，分为电容式、压阻式和压电式传感器，具有不同的传感机制。压阻式传感器通常由传感材料、基片和电极组成，其电阻随压力变化而变化，由于其原理和制备简单，已成为研究热点。值得注意的是，连接在脖子上的柔性传感器可以通过说话时喉部肌肉运动引起的压力变化来收集和区分声音。此外，声音传播过程中空气的周期性振荡产生的压力波将被耳膜获得，这对听力能力来说是必须的。因此，能够感知微弱压力的柔性传感器也会对声音传播引起的空气压力波做出反应，并像鼓膜一样工作。因此，无论是敏感性、灵活性还是可塑性，都不能省去准备用于声音信号检测和识别的传感装置。

研究成果

柔性压力传感器作为可穿戴电子设备的主要成员，在健康监测、人机交互、软体机器人等方面引起了广泛关注。然而，大多数传统的研究只关注基础的机械传感测试和普通的人体运动监测，忽视了其在日常生活中的其他应用。在这项工作中，华中科技大学刘逆霜教授团队通过使用具有三维隔离层结构的MXene/细菌纤维素薄膜制备了一个纸基压力传感器，并研究了其作为可穿戴式声音探测器的传感能力。所制备的装置表现出很好的综合机械传感性能，以及对人体生理信号的准确检测。作为一个声音探测器，它不仅可以通过监测喉部肌肉的运动来识别不同的语音信号和声音属性，还可以通过声音传播引起的气压波(也叫声波)来区分各种自然声音，如耳膜。此外，它在声音可视化技术方面发挥着重要作用，因为它具有捕捉和呈现音乐信号的能力。此外，毫米级的厚度、重量和可降解的原材料使该传感器方便和易于携带，也符合环境保护的要求。相关研究以“Flexible MXene/Bacterial Cellulose Film Sound Detector Based on Piezoresistive Sensing Mechanism”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1. 通过使用MXene (Ti3C2Tx) /BC薄膜压阻传感器，介绍了一种检测声音信号、区分声音属性以及用图像显示声音的合适方法。2. 该传感器不仅表现出优异的综合传感性能——低压范围内的高灵敏度(0-0.82 kPa: 51.14 kPa^-1)、宽线性范围(0-0.82 kPa，0.82 -10.92 kPa)、快速响应/恢复时间(99/93 ms)和稳定性(5000次)，而且可以监测人体运动。3. 该传感器可以通过感知像鼓膜一样的声音传播中的气压波来区分声音，这为量化自然声景中不同样本的含义和组成奠定了基础。声音可视化的潜在应用也得到了探索，记录声音形态以及通过图片呈现声音内容。

图文导读

Figure 1. (a) Flow-chart for the preparation of the MXene/BC film. (b) Fabrication method of the MXene/BC film pressure sensor. (c) Photo of the folded BC film and MXene/BC film.

Figure 2. (a) SEM image of Ti3AlC2 (MAX phase precursor). (b) MXene dispersions with different concentrations. (c) AFM image of the MXene nanosheet. (d) Raman spectra, (e) surface SEM image of the MXene film, and (f) corresponding elemental mapping images for C, Ti, O, and F. (g) Cross-sectional SEM image of the MXene film. (h) XRD pattern of the MAX phase, MXene film, BC film, and MXene/BC film. (i) Surface and (k) cross-sectional SEM images of the MXene/BC film. (j) Tensile stress−strain curves of the MXene film, BC film and MXene/BC film. (l) Schematic pressure-sensing models and inner-microstructure changes of the MXene/BC film during compress−recover cycles.

Figure 3. Pressure sensing performance of the MXene/BC film.

Figure 4. Real-time monitoring of human physiological signals using the MXene/BC film sensor.

Figure 5. Natural-soundscape detection and discrimination by the MXene/BC film sound detector.

总结与展望

在这项工作中，作者制备了一种新式的MXene/BC薄膜压力传感器，并探讨了其在高灵敏度传感领域作为可穿戴式声音探测器的潜在应用。采用真空过滤法制备了具有BC插层的MXene薄膜，然后用普通纸作为柔性基片进行器件组装。所制备的MXene/BC薄膜压力表现出了卓越的传感性能：低压范围内的高灵敏度(0-0.82 kPa: 51.14 kPa^-1)，宽线性范围(0- 0.82 kPa, 0.82-10.92 kPa)， 快速响应/恢复时间(99/93 ms)， 高稳定性(5000 cycles)， 并且可以监测包括手指按压/敲击、呼气/吹气、点头/吞咽/咳嗽等传统人体动作。作为一个声音探测器，它可以通过监测喉部肌肉的运动来识别不同语言(中文/英文) 的最小单位和声音属性的变化(音量/音调)， 并且在发声/非发声状态下的类似信号为发音障碍问题提供了一个创造性的解决方案。此外，该传感器还可以感知声音传播过程中的空气压力波，就像耳膜一样，以区分各种自然声音。而且还探索了声音可视化的潜在应用，通过诗歌朗诵和朗诵声波来捕捉和呈现声音的形状。

文献链接

Flexible MXene/Bacterial Cellulose Film Sound Detector Based on Piezoresistive Sensing Mechanism

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03155