可穿戴声学传感中的材料、应用和技术突破综述

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。 柔性可穿戴声波技术由于其功耗低、体积小、易于制造和无源/无线能力等优点，在可穿戴电子、传感、声流控和芯片实验室等领域有着广泛的应用，近年来引起了人们的极大关注。近几年来，在下一代基于声波的柔性传感器和电子器件的合理设计结构的技术开发、制造和表征方面，科研界做出了巨大努力和卓有成效的工作。

东华大学朱美芳院士、严威教授在Advanced Materials发表了题为“Insights into Materials, Physics and Applications in Flexible and Wearable Acoustic Sensing Technology”的综述性论文，全面探讨了柔性可穿戴声学传感技术在材料、物理、设计原理、制造策略、功能和应用方面的最新科学和技术突破，并进行了相应的深入分析。

研究团队重点介绍了新一代声学传感器，它们可以辨识声音、进行机器交互、控制机器人、监测结构健康状况、诊断人体生物组织的生命体征，并进行器官成像。这些创新为医疗保健、生物医学、可穿戴装备、机器人技术和元宇宙等领域的重大挑战提供了创新和独特的解决方案。此篇综述同时讨论了该领域现有的挑战和未来的机遇，并提供了推动声学传感技术发展以吸引真实世界应用并激发新的研究方向的策略。

声音探测因其科学和技术上的重要性而一直备受关注。声学与材料科学、电子学和信息科学的融合正在产生新一代柔性可穿戴声学传感器，其特点是高柔性、超轻重量、极佳的保形性和不可感知性。

这种截然不同的声学传感技术包括不同寻常的形状因素，如皮肤贴片和薄膜、纳米膜、金字塔纹身、纳米纤维网结构复杂的纤维和纱线，以及日常衣物。材料结构、设备配置、系统集成和制造方法等方面的创新赋予了这一平台在广泛声频范围内的广泛适用性，以及与传统同类产品相媲美的传感精度和可靠性。

通过协同利用机器学习和人工智能的力量，灵活的可穿戴声学传感技术正在成为一种变革性技术，为蓬勃发展的物联网、增强现实、元宇宙以及个性化和精准医疗提供支持。

声学传感



声学传感器的关键制造方法



具有各种设计的电磁和压阻声学传感器



具有各种设计的电容式声学传感器



具有各种设计的压电声学传感器



具有各种设计的摩擦电和光学声学传感器



具有各种设计的光学声学传感器



用于声学检测、通信和控制应用的声学传感器



用于水下监听的声学传感器



用于结构健康监测的声学传感器



可穿戴声音设备在医疗保健中的应用



声学传感器和人工智能相结合的应用



声学传感器的发展和未来趋势

总结与展望

在应用需求的推动下，声学设备取得了显著进步。它们已经从最早的碳纤维麦克风和最近的手持式音频电子麦克风（刚性和笨重）发展到最先进的薄膜和纺织品形状的声学传感器（柔性和可穿戴）。这一演变意味着先进性的重大飞跃，可满足各种应用不断变化的需求。

过去十年间，柔性可穿戴声学传感器在传感机制、新材料和结构设计以及制造策略方面都取得了进步，从而大大提高了这一新兴技术的传感性能。尽管过去十年取得了巨大进步，但仍存在许多科学和技术挑战。有鉴于此，我们提出了自己的见解，以促进该领域的不断进步和发展：

1

应开发包括聚合物、碳材料、生命材料和复合材料在内的各种先进材料，以扩展声学传感能力。

2

未来的声学传感器需要在复杂的环境中使用，例如在人体内、身体上或机器中，而且应该是便携式、可穿戴式或植入式的。为了满足这些要求。它们应该小型化、轻量化和高度集成化。此外，考虑到在各种应用中需要将设备集成到曲面或可拉伸表面上，这些声学传感器应具有各种外形尺寸，从导线和贴片到薄膜和纺织品。

3

在各种应用中使用声学传感器时，需要考虑几个因素以确保其使用和性能，包括长期运行时对水、热或盐的稳定性、功耗、成本和批量生产。因此应采用耐用材料和有效的封装设计，使其能够长期稳定运行。

4

开发低功耗声学传感器系统仍然是一项技术挑战，需要从机制、材料、设备、系统、通信、计算和电源等多方面优化传感器和系统设计。此外，为了确保经济效益，降低成本对于工业兼容的大规模生产至关重要。此外，提高声学传感器创新能力的一些可行解决方案包括：制定测试标准、提高耐用性和集成度、采用计算机辅助设计、探索绿色和可持续的制造路线以及采用智能制造。

5

将声学传感与其他先进技术进行多学科融合，可在机器人、太空探索、精准医疗和元宇宙等高科技领域取得重大进展。

对于机器人来说，声学传感器使其具备听觉能力，从而实现高级人机交互和机器人环境感知能力。例如，穿戴在机器人身上的声学传感器可以实现语音识别和语音生成，从而实现更高效的人机交互。此外，声学传感器还可以帮助机器人识别障碍物并避免碰撞。

在医疗保健领域，可穿戴声学传感器实现了有效的医学诊断和监测，如深层心脏监测。通过引入声学传感器，诊断的准确性大大提高，健康问题可以在早期被检测出来。

在太空探索领域，声学传感器有望赋予空间探测器声学感知能力，有助于更好地了解太空环境，并为未来的太空探索提供更好的保证。声学传感器还可以实现对太空中的尘埃、气体和物质的检测，有利于评估太空环境的安全性，并为太空旅行设计更安全的路线。

此外，声学传感器在通过允许用户以更沉浸、更增强的方式感知和与环境进行交互来增强现实方面发挥着关键作用。将声学传感器与增强现实技术相结合，对于增强用户体验和拓展增强现实应用的可能性具有巨大潜力。借助灵活可穿戴的声学传感器的能力，增强现实可以变得更加沉浸、交互和环境感知，为娱乐、教育、培训和各种其他行业开辟了新的途径。

总之，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。

审核编辑：刘清