人机交互新体验，微纳压电声学传感器
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研究背景
根据世界卫生组织的统计，全球估计有4.3亿人因耳蜗毛细胞受损而患有中度或更严重的听力损失。人工电子耳蜗僵硬的电极和软组织之间的不匹配可能会导致神经损伤和耳鸣。为了克服这些问题，关于柔性自供电压电人工电子耳蜗的研究引起了广泛关注。此外，随着物联网(IoT)和人工智能的发展，自供电声学传感器的研究也得到广泛关注。
压电材料可以实现电能转换，为自供电设备提供了广阔的应用前景。压电纳米发电机(PENGs)已被用于制备自供电的传感器设备，它具有多个优点，如高性能、超灵敏、灵活性和可持续性。最近，各种各样的压电材料被用来制造压电声学传感器，如Pb[ZrxTi1-x]O3， AIN， ZnO， PVDF和P(VDF-TrFE)。然而，含铅材料与生物不相容，对环境不友好。其他压电材料的电输出功率由于声电转换性能低，不足以直接刺激听觉神经。因此，制造高性能的无铅柔性压电声学传感器意义重大。纹理铌酸钾钠[(K，Na)NbO3，KNN]基压电陶瓷是最有可能替代PZT的材料之一，因为它们具有优良的压电性能和高居里温度。此外，新相的产生可以增加单元格的畸变，有利于压电性能的提高。例如，具有形态相界(MPB)的压电材料的性能高于具有单相成分的材料。然而，去极化场和表面效应将对柔性设备中微纳尺度材料的压电性能产生不利影响。因此，高性能的微纳压电材料对柔性设备至关重要。
研究成果
压电材料可以作为未来人工耳蜗的有利候选材料。然而，到目前为止，大多数压电听觉设备未能同时提供高灵敏度、所需的灵活性、广泛的频率选择性和生物相容性。在此，受人类外耳毛细胞的启发， 中科院化学所宋延林研究员，Lihong Li教授等人通过引入基于新型无铅、多组分棒状铌酸盐压电材料的微锥图案阵列策略来解决这些问题。基于棒状的柔性压电声学传感器(FPAS) 的输出电压是各向同性颗粒的近300%。在恶劣环境下性能稳定的微锥图案FPAS 由于声能吸收的显著增强而显示出高灵敏度(39.22 mV Pa-1 cm-2)，可以记录声音信号，识别音频信号，并实现人机交互。该工作表明，FPAS 有希望用于各种应用，如物联网(loT)、耳蜗植入、可穿戴声学设备和人机交互。相关研究以“High-performance microcone-array flexible piezoelectric acoustic sensor based on multicomponent lead-free perovskite rods”为题发表在Matter上。
研究亮点
1. 制备了含MPB的一维无铅多组分压电材料；
2. 设计了一种磁场辅助的直接写入微锥图案阵列的策略；
3. 设计了加强声能转换的锥体阵列结构；
4. 具有优秀的耐久性和防水性，无需任何封装。
图文导读
Figure 1. Preparation and characterization of 0.96(Na0.5K0.5)(Nb0.9Ta0.1)O3-0.04LiSbO3 rods.
Figure 2. The performance of the FPAS.
Figure 3. Fabrication and performance of FPAS with cone arrays.
Figure 4. Applications of the FPAS as a piezoelectric cochlear and a recorder.
Figure 5. Human-computer interaction applications and the waterproofing property of the FPAS.
总结与展望
作者展示了一种直接写入的方法来制备具有微锥阵列的FPAS。与各向同性的铌酸盐基FPAS相比，纳米线铌酸盐基FPAS的输出电压提高了近300%。由于棒状材料和表面微锥的耦合效应，带有微锥图案的FPAS具有最佳的性能。通过优化压电装置的结构，可以实现频率的选择性，证明了压电人工电子耳蜗的巨大潜力。FPAS不仅可以感知和记录音频信号，还可以识别音频信号，实现人机互动。此外，FPAS拥有防水性和耐酸碱性，以及坚固性，符合真实自然环境中可穿戴式声学传感器的防水要求。这项工作证明了FPAS 在可穿戴式语音识别设备和人工电子耳蜗以及人机互动中的各种应用前景。
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