新型柔性納米發電機：有望讓麥克風和揚聲器合二為一！

導讀

最近，美國密歇根州立大學的科研人員開發出了基於鐵電駐極體納米發電機的柔性設備，它不僅能夠從人體運動中採集能量，更讓人驚喜的應用是在聲學領域。它不僅可以製成柔性的麥克風和揚聲器，還有望帶來同時具備麥克風和揚聲器雙功能的音頻設備。

關鍵字

納米發電機、自供電、柔性、聲學、揚聲器、麥克風

背景

電池，一直是制約可穿戴設備、智能硬體乃至整個消費類電子產品的重要瓶頸。消費者們不僅經常會遇到電池電量耗盡的情況，也需要面對反覆充電的困擾。

所以，學術界和產業界都一直在積極探索擺脫電池的新能量供給方式，例如：利用人體運動，筆者曾在《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》一文中介紹過；還有，利用人體熱量，筆者曾在《用烹飪鍋的熱量給手機充電？新溫差電材料用途多多！》一文中介紹過。

這些方式都利用了熱能、機械能等清潔可再生能源，對於環境友好，能量獲取方式也十分便捷。

還記得去年12月份，筆者曾在《擺脫電池！？柔性納米設備利用人體運動發電》一文中，介紹過美國密歇根州立大學電氣和計算機工程系副教授 Nelson Sepulveda 的一項研究，他領導的團隊發明了一種薄膜設備，能從人體運動中獲取能量。

這種低成本的設備，被稱為「鐵電駐極體納米發電機」，英文簡稱：FENG。實際上，原理就是利用人體運動施加壓力，在設備發生形變後，產生出大量的電能，如下圖所示：

(圖片來源於：密歇根州立大學)

為此，研究人員分別進行了三個實驗演示，通過手指滑動或者按壓的動作，激活三種不同的電子設備，為它們供電，有效地將機械能轉化為電能。

實驗一：研究人員輕輕按下鍵盤上相關的按鍵，電腦顯示屏（圖片右下方）上就會顯示出相應的字母。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

實驗二：研究人員通過手掌按壓該設備，成功「點亮」20個LED燈，分為藍色和綠色兩種。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

實驗三：研究人員用手指按壓含有該設備的顯示屏後，屏幕會顯示出字元。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

創新

然而，上述這種自供電的柔性薄膜設備，用於人機交互方面，主要還是體現在視覺和觸覺交互方面。然而，聲學交互（聽和說）也是一個非常具有潛力的領域，相對而言，聲學交互沒有受到那麼多關注。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

今天，我們要介紹的這項突破性創新技術，就和聲音相關。同樣，這項技術也來源於美國密歇根州立大學電氣和計算機工程系副教授 Nelson Sepulveda 所領導的團隊的研究項目。

他們研發了一種如同紙張一樣輕薄，且具有柔性的設備。它不僅可以從人體運動中獲取能量，而且還能做成柔性的揚聲器或者麥克風。這種在音頻方面的突破性創新，具有十分重要的意義。它勢必帶來一些列與音頻相關的創新型消費電子產品，例如：

• 可摺疊的揚聲器，這種揚聲器就像一面小旗。拿著它，你不僅可以為喜愛的球隊搖旗吶喊，還可以播放你喜歡的音樂。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

• 像補丁一樣的柔性麥克風，它不僅能進行高保真錄音，還可以用於電腦的訪問控制，採用語音對於訪問者的身份，進行識別和鑒權。

(圖片來源於：密歇根州立大學)

• 會說話的「電子報紙」，你在閱讀的同時，還可以和報紙進行語音交互。

所有這些創新產品用到的技術，都是在 FENG 設備的基礎上進行了拓展。這種高科技材料，不僅可以作為麥克風（從聲音中獲取振動或者機械能，然後將它轉化為電能），同樣也可以作為揚聲器（相反的方式：將電能轉化為機械能），而且還可以在兩種功能之間進行切換。

這項研究的論文於5月16日發表在《自然通信》雜誌上。

技術

下面，我再從技術的角度，簡單地觀察一下這項創新。

首先，我們看看這項技術的核心部件，基於FENG設備的聲學換能器結構示意圖：

(a) 大面積、柔性的、基於FENG的聲學設備結構示意圖 (b) 聚丙烯發泡材料（比例尺，20?μm）橫截面背散射掃描電子顯微鏡圖像。插圖顯示透視圖（比例尺，10?μm），硅酸鹽粒子在圖上很容易區分，是明亮區域。(c) 在軸向的玻璃管中的基於FENG的聲學設備的光學圖片（比例尺，5 cm），插圖顯示聚丙烯發泡材料的頂視圖（比例尺，5 cm）。

(圖片來源於：參考資料【2】)

然後，我們再來看看該設備的工作機制，如下圖所示：

(a) 微等離子體放電後，FENG的電荷分布和巨型偶極子，顯示出空洞的上下表面是帶相反電荷的。(b,c) 直接的電能和機械能的交互作用 (b) 人手按壓FENG設備表面。(c) 人手鬆開後，巨型偶極子恢復原來的尺寸。(d,e) 相反的電能和機械能的交互作用 (d) 當施加正電勢的時候，巨型偶極子進一步擴大。(e) 當施加負電勢的時候，巨型偶極子縮小。

(圖片來源於：參考資料【2】)

從上圖可以看出，FENG設備具備雙向能力，從而具有一些列優勢（例如簡單性、靈活性、柔性、耐久性、輕量性、容易擴張的結構等等）。所以，這種設備不僅可用於能量採集，也可作為電聲學的柔性設備，同時也為柔性揚聲器和麥克風，建立起了一種新的工作機制。

然後，我們再來具體講講揚聲器和麥克風。首先，還是從揚聲器的實驗說起。

研究人員對於基於FENG的薄膜揚聲器，進行了聲壓級方向性的測量，也就是對於聚焦的聲音或者聲音能量進行了定量測量。

(a) 基於FENG的揚聲器獨立的實驗設置。(b) 測量硬體連接的側面圖。在實驗中，FENG 揚聲器保持靜止，而麥克風是旋轉的。(c–h) 光學圖片和位於不同頻率或者電壓下的聲壓級極坐標圖 （比例尺，5 cm）(c,d) 圓形獨立式類型(e,f) 具有柔性丙烯酸塑料基質的圓形類型(g,h) 捲筒的圓柱類型

(圖片來源於：參考資料【2】)

接下來，研究人員也對於頻幅響應，以及基於FENG的播放音樂的小旗進行了研究。

(a–c) 從10?Hz 到 20?kHz 的聲壓級頻譜測量，針對三種不同的基於FENG的揚聲器結構，顯示每種結構的光學圖片。(a) 獨立的結構，大小比例為 1:2:4。(b) 摺疊和多層疊加結構。(c) 具有基質和沒有基質的結構。(d–f) 密歇根州立大學(MSU)設計和演示的能夠播放音樂的小旗。(d) 原理圖 (e) 模型放大的光學圖片 (f) 功能演示

(圖片來源於：參考資料【2】)

在研究了揚聲器後，研究人員又開始對於基於FENG的薄膜麥克風的性能和原理進行研究。如下圖所示：

(a) 聲音能量轉化為電能的機制。(b) 基於FENG的麥克風系統的實驗，對於音樂進行錄音。(c,d) 聲波和聲譜圖:(c) 原始音樂 (d) 錄音音樂。(e,f) 一小段同步音樂:(e) 原始音樂 (f) 錄音音樂，展開和詳細的分析。

(圖片來源於：參考資料【2】)

經過分析，研究人員得出：

記錄的音樂的聲學信息和原始音樂高度相似，即使一小段片段也是這樣，可以達到高保真和高質量。

基於FENG的麥克風和揚聲器從本質上講，其實是同一種結構，但是採用相反的、可逆的電能和機械能的交互效應。這意味這基於FENG的揚聲器或者麥克風，是真正的雙功能的音響設備。根據用戶需求，FENG可以很方便地切換它的功能。

最後，讓我們來一起看看個人隱私安全方面應用，也就是語音識別和鑒權的功能。

隨著可穿戴設備搜集的數據越來越多，保護隱私安全變得越來越重要。基於FENG的麥克風可以利用語音識別的方法，通過聲紋對於用戶進行鑒權。

(a) 個人電腦訪問要求輸入語音碼，通過基於FENG的身份識別系統進行鑒權。(b) 基於Mel頻率倒頻譜分析的人工神經網路模型。(c–e) 管理員（上）和非法用戶（下）說出的語音碼『OPEN SESAME』的音頻信息。(c) 聲波 (d) 聲譜圖 (e) 周期功率譜密度評估圖 (f) 基於FENG的聲學設備的各種應用

(圖片來源於：參考資料【2】)

價值

對於這種基於FENG的設備來說，它的創新價值不僅限於能量採集設備，而且可用於可穿戴設備、智能硬體、音頻設備等多個領域。

它可以實現聲能和電能之間雙向轉化，不僅能夠通過電產生聲，也可以通過聲產生電。未來，這樣的設備有望集成到個人電腦、可穿戴設備、智能硬體等一些列消費電子產品中，不僅能夠實現從人體運動中獲取能量，還將帶來各種更加精彩的應用。

參考資料

【1】http://msutoday.msu.edu/news/2017/how-scientists-turned-a-flag-into-a-loudspeaker/?utm_campaign=media-pitch&utm_medium=email

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms15310

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