新型声学传感器：柔性、可识别语音、监测心脏健康

(图片来源于：西北大学/科罗拉多大学波德分校)

引言

研究人员开发了一种可穿戴的微型声学传感器，可用于检测心脏健康状况和进行语音识别。科学家将详细研究成果发表在11月16日版的《科学进步》杂志上。

传感器简介

伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家、研究的领导作者 Howard Liu 表示，在这项发明之前，能够检测皮肤声学振动的传感器基本上都是“听诊器类型”，体积庞大且由刚性材料制成，所以很难穿戴，而且抑制了声学信号。

为了克服以上缺点，新型设备使用了小型化、低功耗的商用 MEMS 加速度传感器，包裹在既有粘性又有弹性的硅橡胶中。研究人员称，这些加速度传感器调谐到的振动频率范围（从0.5赫兹到550赫兹），这正是人体重要器官发出的声音频率范围。这些加速度传感器通过可伸缩的铜丝将和放大器、电阻、电容相连接。

表皮声学电生理学测量设备的示意图

(A) 系统整体设计结构的分解视图 (B) 设备装配示意图和它的柔性EP测量电极与柔性电源数据线之间的接口，上面的插图是横断面视图。(C) 设备被镊子夹住进行扭曲。(D) 设备在皮肤上捏住压缩。 (E)培养在设备表面上的细胞的显微图，展示其生物相容性。绿色和红色区域相应地对应活的和死的细胞。白色的箭头指向后者。比例尺200μm。 (F) 设备在双轴拉伸25%条件下的光学图像的叠加和有限元模拟结果。 (G) 互相联系的结构经受最高压力的模拟结果的放大视图。 (H) 光谱功率测量示意图，设备安装在一块鸡胸肉上，模仿人体组织的振动源，测试振动响应。

(图片来源于：西北大学/科罗拉多大学波德分校)

这种柔性的声学传感器，可以像贴纸一样粘在皮肤上，监测穿戴者的心跳和识别他们的语音。这种新型设备的可能的应用包括：疾病诊断、代替控制机器人或者游戏时使用的手持设备。它类似于一个小的创可贴，只有20毫米厚，重量仅213.6毫克，足够柔软且可伸缩，可以穿戴在身体的弯曲部位例如脖子。而且，硅胶有利于人体汗液的蒸发。

设备可搜集的声学信号

实验中，设备可以同时持续搜集几个不同类型的声学信号数据，其中包括：心脏瓣膜的开启和关闭、颈部动脉的血液流动、声带的振动、甚至胃肠道的蠕动。

在位于亚利桑那州图森市一家私人诊所对于老年心脏病的测试中，该设备显示出可以检测心脏杂音。在于用于心脏泵血的商业心室辅助装置的实验中，也显示出传感器可以检测潜在的致命性血栓。

Liu 认为：

“如果该设备穿戴在人类的喉咙上，它可以用于控制机器人或者打电子游戏，像人机界面一样发送命令给计算机。”

例如，志愿者可以通过简单地说出“上、下、左、右”来控制吃豆人游戏。词汇识别的精度达90%。传感器也可以帮助那些语言障碍的人、战场上的士兵和灾难现场的急救人员。

科罗拉多大学博尔德分校的工程师、论文合著者 Jae-Woong Jeong 称，新设备也包含了可以记录身体电信号的电极，它可以帮助传感器监测心脏和起搏器的性能。

未来展望

• 数据无线传输
  

然而，目前的传感器依赖数据线来传输数据，Jeong 认为，“为了让它在现实世界中更加实用，我们希望让它变成无线的。

• 增加检测的振动频率范围
  

“未来的研究也会增加振动频率的范围，设备可以采集的频率达2000赫兹，从而可以检测人类语音振动的整个范围，就像麦克风一样。

参考资料

【1】http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/diagnostics/soft-acoustic-sensors-could-monitor-hearts-recognize-speech

【2】http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601185

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