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来源：材料科学前沿收集编辑：BioMed科技
压电电子器件具有结构简单、成本低、自供电和线性度好等优点，在声学感知领域具有重要的应用前景。其中压电纳米纤维相比传统陶瓷具有高纵横比和大比表面积的特点，可有效捕获低频振动或低能量声波。然而单一结构的压电纤维膜对声音的频率响应范围十分有限，层状织物的混乱排列不可避免地会分散和耗散传输的声能，从而降低纳米纤维的声电转换效率，导致高频率、低能量声音失真。因此，通过压电纳米纤维实现高保真宽频带的声音识别仍然是一个重大挑战。近日，西南交通大学杨维清教授团队在前期通过拓扑结构设计调控压电纤维声电转换性能的基础上（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 49, 2207393.），报道了一种多通道梯度式压电换能器。借助静电纺丝中可编程电场实现了不同梯度结构纳米纤维薄膜的构筑，并探究了不同的梯度结构对频带拓宽行为的影响。将所设计的声电传感器与深度学习算法相结合，能有效捕捉声音信号，并精确识别用户信息，准确率高达100%。这种可编程梯度压电纳米纤维可根据需要进行灵活设计，为智能生物电子学的发展提供了一种通用策略。相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，西南交通大学硕士研究生兰浡玲为文章的第一作者，邓维礼，杨维清为通讯作者。图 1. 使用深度学习进行语音识别的 MAS 总体概念图。(A) 多频带人工耳蜗示意图; (B) 基于梯度结构的纳米纤维形成多通道柔性压电声学传感器的示意图；(C) 具有不同通道的电纺薄膜示意图和体式显微镜照片；(D) 基于MAS的多通道响应多个谐振频率示意概述；(E) 具有深度学习语音识别系统的总体示意图，其中多通道MAS用作语音识别的个性化声学接口图 2. 宽频带的理论模拟及实验验证。(A) MAS 的物理和结构图 (比例尺为 1 mm)；(B) 在 210 Hz、460 Hz和560 Hz的频率下，具有不同间距（1 mm、2 mm、4 mm）薄膜的有限元模拟；(C)不同纤维间距的谐振频率走势图；(D) MAS所测信号和原始信号对比；(E) 具有梯度结构纺丝薄膜的不同通道、普通纺丝薄膜和非纺丝薄膜在0到1000 Hz范围内的压电响应；(F) 不同通道的谐振频率随着间距的减小而增加的时域及频域图；(G) MAS、普通纺丝薄膜和非纺丝薄膜响应频带宽度的比较图 3. MAS 作为高保真音乐录音和语音识别的应用。(A) 用于人类语音识别的 MAS 示意图。声波作用下梯度结构纺丝薄膜的压电输出通过信号处理反馈给机器人；(B) 不同用户基于MAS的人机验证系统的实物图 (比例尺为10 cm)；非梯度结构纺丝薄膜 (C) 和梯度结构纺丝薄膜 (D) 的混合音频（200 Hz、400 Hz和600 Hz）的FFT；(E) 原始信号和检测信号的时域波形；(F) 原始信号和检测信号的FFT频谱；(G) MAS记录的不同词句的时域特征；(H) “Sensor”的STFT；(I) 构建的CNN模型的详细架构；(J) 200个epochs的分类精度、训练精度和损失函数的评估；(K) 语音识别的混淆矩阵。目标类别是指收集到的八种语音信号类型，输出类别是指借助深度学习识别出的结果研究团队提出了一种多通道梯度结构设计策略，通过调控电场中纤维的运动模态，构筑不同梯度的纤维薄膜，达到拓宽检测频带的目的，实现高精度的声音识别。更重要的是，监测频带可根据需要进行结构设计为语音识别和人工智能的发展提供了更多的可能性，在元宇宙时代具有广阔的应用前景。邓维礼：特聘研究员，四川省海外高层次留学人才，中美青年创客交流中心创客项目指导专家，西南交通大学双百人优秀创新创业导师库专家。近年来，以第一或通讯作者身份，在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Energy等国际知名期刊发表学术论文30余篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文6篇，封面论文5篇，论文引用5000余次。杨维清：西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，前沿科学技术研究院院长。主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究，近年来，带领纳米能源材料与功能器件团队在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater. Nano Energy等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇，ESI高被引论文20篇，引用11000余次。所做工作被美国知名网站Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。团队长期欢迎对多功能敏感材料及功能器件感兴趣的学生报考研究生。团队主页:
https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c20520投稿、荐稿、爆料：editor@polysci.cn