新材料新技術(shù) 報(bào)紙也能說話了 承德人和礦業(yè)伊利石
美國密歇根州立大學(xué)(Michigan State University；MSU)的研究人員最近發(fā)表有關(guān)鐵電駐極納米發(fā)電機(jī)(FENG)的最新突破，能進(jìn)一步表征其薄膜FENG作為軟性聲學(xué)換能器的行為特性——可同時(shí)作為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)！
這項(xiàng)研究已發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)期刊的“基于納米發(fā)電機(jī)的雙功能、自供電薄型貼片揚(yáng)聲器或麥克風(fēng)”(Nanogenerator-based dual-functional and self-powered thin patch loudspeaker or microphone for flexible electronics)一文，探討FENG在不同聲壓強(qiáng)度(SPL)下的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。由于厚度僅0.1mm的聚丙烯鐵電體(PPFE)包括在“金屬-絕緣層-金屬”結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為可變形雙極子的可壓縮帶電空隙，以及聲壓交替波被忠實(shí)地傳導(dǎo)至交替的電信號(hào)。在此的研究重點(diǎn)主要是能量采集，研究人員專注于讀取由聚合物FENG產(chǎn)生的模擬信號(hào)。 20170522_FENG_NT02P1 研究人員透過這種薄膜FENG打造出一種像紙般輕薄的軟性組件，不僅能從人類的動(dòng)作產(chǎn)生能量，還可作為以作為揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。這項(xiàng)在音頻方面的突破最終將可用于開發(fā)諸如可折迭的揚(yáng)聲器、語音啟動(dòng)的安全貼片，甚至是會(huì)說話的報(bào)紙。
密歇根州立大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程系副教授Nelson Sepulveda表示：“這是第一款超薄、軟性、可調(diào)整且雙向功能的換能器，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，”用于打造出厚度可薄至0.1mm的揚(yáng)聲器或麥克風(fēng)功能。
Sepulveda及其研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)在去年底展示薄如紙張的組件——即鐵電發(fā)電器或FENG，可用于為鍵盤、LED燈和LCD觸控屏幕供電。只需手指滑動(dòng)或輕按的動(dòng)作，即可啟動(dòng)設(shè)備，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
如今的最新突破，更進(jìn)一步擴(kuò)展了FENG的可用性。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種高科技材料可以作為麥克風(fēng)(從聲音或機(jī)械能中擷取振動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電能)以及揚(yáng)聲器(反向操作：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能)。
為了展示麥克風(fēng)的效果，研究人員設(shè)計(jì)了一款FENG安全增補(bǔ)程序，可用語音識(shí)別存取計(jì)算機(jī)。這個(gè)增補(bǔ)程序成功地用于保護(hù)個(gè)人計(jì)算機(jī)免于外在用戶。Sepulveda說：“該組件對(duì)于振動(dòng)極其敏感，因而能夠捕捉到聲音的頻率組成。”
為了展現(xiàn)揚(yáng)聲器的效果，研究人員在一面學(xué)校校旗中嵌入FENG結(jié)構(gòu)，并在iPad上透過放大器串流音樂至校旗，然后再完美無瑕地轉(zhuǎn)錄成聲音。Sepulveda說：“旗子就變成了揚(yáng)聲器。因此，未來我們可用這種極輕薄、軟性的小型組件來取代尺寸較大、笨重且功耗大的揚(yáng)聲器。”
想象有一天，人們可以從口袋中取出一個(gè)輕薄的揚(yáng)聲器，隨手貼在墻壁上，就能將演講傳送給室內(nèi)的所有人，Sepulveda說。
或者，他并補(bǔ)充說：“想象一份報(bào)紙，每一張紙都是麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器?；旧?，你就可以用語音啟動(dòng)這份報(bào)紙跟你對(duì)話。” 20170522_FENG_NT02P2 密歇根州立大學(xué)工程研究員Wei Li表示，F(xiàn)ENG的其他潛在應(yīng)用包括降噪片以及語音保護(hù)的健康監(jiān)測(cè)腕帶等。Wei Li同時(shí)也是在《自然通訊》期刊發(fā)表這項(xiàng)研究的主要作者。
“許多研究都專注于軟性電子產(chǎn)品的視覺和觸控，”Li強(qiáng)調(diào)，“但我們也很重視這項(xiàng)技術(shù)的語音與聽覺方面。”
制造FENG的創(chuàng)新過程必須先從硅膠晶圓開始，然后再以銀、聚酰亞胺和聚丙烯鐵電等環(huán)保的多層或薄片物質(zhì)制造而成。再添加離子，讓設(shè)備中的每一層都包含帶電粒子。因此，當(dāng)設(shè)備受到人體運(yùn)動(dòng)或機(jī)械能量壓縮時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電能。
這項(xiàng)研究是由美國國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation；NSF)提供贊助。其他研究人員還包括密歇根州立大學(xué)的David Torres、Ramon Diaz和Chuan Wang，以及喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的Zhengjun Wang、Changsheng Wu與Zhong Lin Wang等研究人員。
