《Science》子刊：MXene声学传感器 | 人工鼓膜，听力升级！

摘要

Abstract

研究报道了一种使用基于二维MXene（Ti3C2Tx）的声学传感器的人工鼓膜，它模拟了人类鼓膜实现语音检测和识别的功能。利用层间距离较大的MXene和微锥体聚二甲基硅氧烷阵列，可以实现压力和声学传感的两级放大。MXene人工鼓膜的极高灵敏度为62kPa−1，极低的检出限为0.1 Pa。值得注意的是，利用超灵敏的MXene鼓膜，实时语音分类的机器学习算法可以实现较高的精度。这280个语音信号被成功地分类为7个类别，通过训练数据集和测试数据集分别可以获得96.4%和95%的高精度。目前的研究结果表明，MXene人工智能鼓膜在可穿戴声学保健设备中具有巨大的应用潜力。

创新点

1

首次利用MXene材料制作人工鼓膜,实现了声音的检测和识别。

2

利用MXene具有超大层间距的特点,实现了第一级的声压放大。

3

通过微锥形PDMS基底实现第二级声压放大,与MXene材料相结合实现两级放大。

4

获得了超高灵敏度(62 kPa-1)和超低检测限(0.1 Pa),性能明显优于已报道的压力传感器。

5

应用了机器学习算法,实现了7类语音信号的分类识别,准确率高达95%以上。

6

展示了MXene人工鼓膜在可穿戴声学保健设备中的应用潜力。提出和证明了两级声压放大的概念,为未来声音传感器提供了新的设计思路。

图文参考

Graphic reference

图1. MXene人工耳膜综述。

图2. 金字塔微结构柔性MXene人工鼓膜的机理分析及表征。

图3. MXene人工鼓膜的阻力响应和敏感性。

图4. MXene人工耳膜在语音检测和识别中的应用。

总结

Conclusions

这篇文章报道了基于二维MXene材料的超灵敏人工鼓膜。

1. 制备了Ti3C2Tx MXene纳米片材料,具有超大的层间距(1.31nm),可以实现微小声压的高灵敏响应。

2.制作了具有微锥形结构的PDMS基底,可以实现第二级的声压放大。MXene材料与微锥基底的结合实现了两级声压放大。

3.制备的MXene人工鼓膜表现出极高的灵敏度(62 kPa-1)和超低的检测限(0.1 Pa)。远超过目前报道的各种压力传感器。

4.MXene人工鼓膜可以检测和识别人声,通过机器学习算法实现了7类语音的分类识别,训练集和测试集的识别准确率分别达到96.4%和95%。

5.MXene超灵敏人工鼓膜展示了在可穿戴声学保健设备中的潜在应用前景。

总之,该工作通过两级声压放大机制实现了超灵敏MXene人工鼓膜,表现出极佳的声音检测和识别性能,为人机交互接口提供了可能的解决方案。