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  天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院林童教授團(tuán)隊(duì)受蝎子足部“狹縫感受器”超敏振動感知機(jī)制啟發(fā)，在國際上首次提出基于仿生彎曲狹縫結(jié)構(gòu)的納米纖維多模態(tài)聲電轉(zhuǎn)換器件創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該工作通過仿生構(gòu)建梯度曲率狹縫電極與高度取向PAN-PVDF納米纖維膜的跨尺度耦合系統(tǒng)（圖1），突破性地實(shí)現(xiàn)了三種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的協(xié)同增效：（1）狹縫振動誘導(dǎo)的纖維周期性錯(cuò)位拉伸觸發(fā)壓電偶極重構(gòu)；（2）內(nèi)源性摩擦電自增強(qiáng)效應(yīng)；（3）取向纖維的聲-機(jī)-電多物理場匹配，顯著提升了器件的寬帶響應(yīng)與電輸出（圖2和圖3）。該聲電器件支持多模態(tài)聲能發(fā)電，在語音記錄中表現(xiàn)出高保真錄音能力（信噪比達(dá)66.8?dB），結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）實(shí)現(xiàn)了96%的語音識別準(zhǔn)確率（圖4）。此項(xiàng)研究攻克了納米纖維聲電器件頻帶窄、輸出弱的技術(shù)瓶頸，為可穿戴聲學(xué)傳感器、無源物聯(lián)網(wǎng)前端及智能人機(jī)交互系統(tǒng)提供了變革性的解決方案。

  該工作以“Curvilinear Slit Electrodes and Orientated PAN–PVDF Nanofibers: Synergistic Broadband and Acoustoelectric Enhancement for Multi-Mode Power Generation, Speech Recognition, and Voice Recording”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。紡織科學(xué)與工程學(xué)院的博士生馬向達(dá)和博士生姜鵬為該文章的共同第一作者，王紅霞教授和林童教授為文章的通訊作者，天津工業(yè)大學(xué)為唯一通訊單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1. 彎曲狹縫-取向納米纖維仿生聲電器件的制備和材料表征。

  作者通過靜電紡絲技術(shù)制備了高取向性PAN-PVDF納米纖維（直徑660–683 nm之間），與彎曲狹縫結(jié)構(gòu)的電極組裝成了聲電器件。TEM+EDS揭示了兩個(gè)聚合物材料在纖維內(nèi)部和纖維表面的的非均勻分布，PAN富集于纖維內(nèi)部成為相互孤立的“島”相，而PVDF則成為近似連續(xù)的“海”相，兩個(gè)組分均暴露于纖維的表面，呈現(xiàn)相分離的狀態(tài)。XRD與FTIR測試表明，PVDF的β相含量達(dá)84%，而PAN鋸齒構(gòu)型含量達(dá)76%。

圖2. PAN-PVDF聲電器件的電輸出性能分析。

  該PAN-PVDF聲電器件采用了曲線狹縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中取向的納米纖維兩端固定，而狹縫內(nèi)部纖維懸空暴露于空氣中。這些納米纖維的振動頻率由其相對于電極的夾角決定，而固有頻率與狹縫內(nèi)部纖維長度成反比，夾角α為90°和0°時(shí)，纖維的暴露長度均短于α = 45°時(shí)的情形，從而表現(xiàn)出更高的固有頻率。通過實(shí)際測試證實(shí)，當(dāng)夾角為90°時(shí)，器件響應(yīng)性能最佳，從而實(shí)現(xiàn)通過幾何參數(shù)對動態(tài)響應(yīng)的優(yōu)化。

  實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，PAN-PVDF器件在100–1300 Hz的寬頻聲譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)。在115 dB，360 Hz的聲源激勵(lì)下，器件（工作面積12cm²）的開路電壓達(dá)到87.85 V，短路電流為15.64 μA，功率密度高達(dá)384 mW/m²，輸出性能是單組份PAN和PVDF納米纖維器件的4–5倍，其綜合性能優(yōu)于之前報(bào)道的所有納米纖維聲電器件。

圖3. PAN-PVDF聲電器件的電輸出增強(qiáng)機(jī)制。

  有限元模擬結(jié)果表明，在聲波的作用下，狹縫兩側(cè)的電極區(qū)域形成了四個(gè)明顯的非對稱振幅峰谷，狹縫區(qū)域的振動頻率（F_r）和平均應(yīng)力（σ）均隨著狹縫周期與振幅的增加而成比例上升。當(dāng)狹縫尺寸增大時(shí)，會產(chǎn)生更強(qiáng)的振動不規(guī)則性與非對稱性，從而增加振動位移。然而，當(dāng)振幅超過5 mm后，F_r與σ的增長趨勢趨于平緩并最終趨于飽和。彎曲狹縫結(jié)構(gòu)可誘導(dǎo)非對稱振動行為，從而增加納米纖維所受的機(jī)械應(yīng)力，提升壓電轉(zhuǎn)換效率。這種特殊的電極結(jié)構(gòu)與PAN-PVDF復(fù)合材料的機(jī)電協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)了器件的工作帶寬與電輸出能力。PAN與PVDF的優(yōu)異壓電特性與相分離引起的納米纖維界面間的內(nèi)源性摩擦電效應(yīng)，進(jìn)一步增加了器件的聲電輸出。PAN-PVDF聲電器件憑借100–1300 Hz的寬頻響應(yīng)特性，精準(zhǔn)覆蓋人聲核心頻段（80–1200 Hz）與環(huán)境聲的特征譜段，成為智能聲學(xué)感知系統(tǒng)的底層硬件平臺。

圖4. PAN-PVDF聲電器件在自供電、語音記錄以及語音識別中的應(yīng)用展示。

  作者將PAN-PVDF聲電器件用于發(fā)電、聲音記錄和語音識別。通過橋式整流電路將器件產(chǎn)生的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，在115 dB、360 Hz聲激勵(lì)下，工作面積為3×4 cm2的器件可輸出高達(dá)87.85 V的整流直流脈沖，具有足夠的能量密度，可直接驅(qū)動低功耗電子設(shè)備（包括電子溫度計(jì)、計(jì)算器和電子手表），同時(shí)實(shí)現(xiàn)對儲能電容的充電。使用PAN-PVDF器件記錄的音頻信號與商用麥克風(fēng)錄制的聲音波形和形態(tài)非常相似。PAN-PVDF器件的SNR計(jì)算結(jié)果為66.8 dB，表明其具備高質(zhì)量的聲信號記錄能力，背景噪聲低，尤其適用于微弱信號被環(huán)境噪聲淹沒的場景。為評估PAN-PVDF聲電器件在語音識別中的能力，作者構(gòu)建了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的分類平臺，器件采集的語音信號通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）架構(gòu)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了96%的識別準(zhǔn)確率，驗(yàn)證了其在真實(shí)語音命令系統(tǒng)中的有效性。

  高保真聲信號捕獲與快速響應(yīng)顯著提升人機(jī)交互精準(zhǔn)度、環(huán)境感知實(shí)時(shí)性與動態(tài)聲場解析力，在高精度語音識別、工業(yè)設(shè)備異音診斷、無障礙交互等場景具有廣泛的應(yīng)用空間，有望為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能終端及數(shù)字醫(yī)療提供普適性聲學(xué)解決方案。

  通過仿生蝎子的“狹縫感受器”，結(jié)合高壓電性能的納米纖維材料，該研究在聲電轉(zhuǎn)換發(fā)效率與響應(yīng)帶寬方面同時(shí)到達(dá)優(yōu)異的效果。出色的聲電性能使PAN-PVDF彎曲狹縫聲電器件有望在下一代人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)與智能聲學(xué)傳感領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為納米纖維聲學(xué)傳感器的發(fā)展提供了新的設(shè)計(jì)思路。

  地址鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509283