新型柔性纳米发电机：有望让麦克风和扬声器合二为一！
导读
最近，美国密歇根州立大学的科研人员开发出了基于铁电驻极体纳米发电机的柔性设备，它不仅能够从人体运动中采集能量，更让人惊喜的应用是在声学领域。它不仅可以制成柔性的麦克风和扬声器，还有望带来同时具备麦克风和扬声器双功能的音频设备。
关键字
纳米发电机、自供电、柔性、声学、扬声器、麦克风
背景
电池，一直是制约可穿戴设备、智能硬件乃至整个消费类电子产品的重要瓶颈。消费者们不仅经常会遇到电池电量耗尽的情况，也需要面对反复充电的困扰。
所以，学术界和产业界都一直在积极探索摆脱电池的新能量供给方式，例如：利用人体运动，笔者曾在《可穿戴设备通过人体运动供电，可行吗？》一文中介绍过；还有，利用人体热量，笔者曾在《用烹饪锅的热量给手机充电？新温差电材料用途多多！》一文中介绍过。
这些方式都利用了热能、机械能等清洁可再生能源，对于环境友好，能量获取方式也十分便捷。
还记得去年12月份，笔者曾在《摆脱电池！？柔性纳米设备利用人体运动发电》一文中，介绍过美国密歇根州立大学电气和计算机工程系副教授 Nelson Sepulveda 的一项研究，他领导的团队发明了一种薄膜设备，能从人体运动中获取能量。
这种低成本的设备，被称为「铁电驻极体纳米发电机」，英文简称：FENG。实际上，原理就是利用人体运动施加压力，在设备发生形变后，产生出大量的电能，如下图所示：
(图片来源于：密歇根州立大学)
为此，研究人员分别进行了三个实验演示，通过手指滑动或者按压的动作，激活三种不同的电子设备，为它们供电，有效地将机械能转化为电能。
实验一：研究人员轻轻按下键盘上相关的按键，电脑显示屏（图片右下方）上就会显示出相应的字母。
(图片来源于：密歇根州立大学)
实验二：研究人员通过手掌按压该设备，成功“点亮”20个LED灯，分为蓝色和绿色两种。
(图片来源于：密歇根州立大学)
实验三：研究人员用手指按压含有该设备的显示屏后，屏幕会显示出字符。
(图片来源于：密歇根州立大学)
创新
然而，上述这种自供电的柔性薄膜设备，用于人机交互方面，主要还是体现在视觉和触觉交互方面。然而，声学交互（听和说）也是一个非常具有潜力的领域，相对而言，声学交互没有受到那么多关注。
(图片来源于：密歇根州立大学)
今天，我们要介绍的这项突破性创新技术，就和声音相关。同样，这项技术也来源于美国密歇根州立大学电气和计算机工程系副教授 Nelson Sepulveda 所领导的团队的研究项目。
他们研发了一种如同纸张一样轻薄，且具有柔性的设备。它不仅可以从人体运动中获取能量，而且还能做成柔性的扬声器或者麦克风。这种在音频方面的突破性创新，具有十分重要的意义。它势必带来一些列与音频相关的创新型消费电子产品，例如：
可折叠的扬声器，这种扬声器就像一面小旗。拿着它，你不仅可以为喜爱的球队摇旗呐喊，还可以播放你喜欢的音乐。
(图片来源于：密歇根州立大学)
像补丁一样的柔性麦克风，它不仅能进行高保真录音，还可以用于电脑的访问控制，采用语音对于访问者的身份，进行识别和鉴权。
(图片来源于：密歇根州立大学)
会说话的“电子报纸”，你在阅读的同时，还可以和报纸进行语音交互。
所有这些创新产品用到的技术，都是在 FENG 设备的基础上进行了拓展。这种高科技材料，不仅可以作为麦克风（从声音中获取振动或者机械能，然后将它转化为电能），同样也可以作为扬声器（相反的方式：将电能转化为机械能），而且还可以在两种功能之间进行切换。
这项研究的论文于5月16日发表在《自然通信》杂志上。
技术
下面，我再从技术的角度，简单地观察一下这项创新。
首先，我们看看这项技术的核心部件，基于FENG设备的声学换能器结构示意图：
(a) 大面积、柔性的、基于FENG的声学设备结构示意图 (b) 聚丙烯发泡材料（比例尺，20 μm）横截面背散射扫描电子显微镜图像。插图显示透视图（比例尺，10 μm），硅酸盐粒子在图上很容易区分，是明亮区域。(c) 在轴向的玻璃管中的基于FENG的声学设备的光学图片（比例尺，5 cm），插图显示聚丙烯发泡材料的顶视图（比例尺，5 cm）。
(图片来源于：参考资料【2】)
然后，我们再来看看该设备的工作机制，如下图所示：
(a) 微等离子体放电后，FENG的电荷分布和巨型偶极子，显示出空洞的上下表面是带相反电荷的。(b,c) 直接的电能和机械能的交互作用 (b) 人手按压FENG设备表面。(c) 人手松开后，巨型偶极子恢复原来的尺寸。(d,e) 相反的电能和机械能的交互作用 (d) 当施加正电势的时候，巨型偶极子进一步扩大。(e) 当施加负电势的时候，巨型偶极子缩小。
(图片来源于：参考资料【2】)
从上图可以看出，FENG设备具备双向能力，从而具有一些列优势（例如简单性、灵活性、柔性、耐久性、轻量性、容易扩张的结构等等）。所以，这种设备不仅可用于能量采集，也可作为电声学的柔性设备，同时也为柔性扬声器和麦克风，建立起了一种新的工作机制。
然后，我们再来具体讲讲扬声器和麦克风。首先，还是从扬声器的实验说起。
研究人员对于基于FENG的薄膜扬声器，进行了声压级方向性的测量，也就是对于聚焦的声音或者声音能量进行了定量测量。
(a) 基于FENG的扬声器独立的实验设置。(b) 测量硬件连接的侧面图。在实验中，FENG 扬声器保持静止，而麦克风是旋转的。(c–h) 光学图片和位于不同频率或者电压下的声压级极坐标图 （比例尺，5 cm）(c,d) 圆形独立式类型(e,f) 具有柔性丙烯酸塑料基质的圆形类型(g,h) 卷筒的圆柱类型
(图片来源于：参考资料【2】)
接下来，研究人员也对于频幅响应，以及基于FENG的播放音乐的小旗进行了研究。
(a–c) 从10 Hz 到 20 kHz 的声压级频谱测量，针对三种不同的基于FENG的扬声器结构，显示每种结构的光学图片。(a) 独立的结构，大小比例为 1:2:4。(b) 折叠和多层叠加结构。(c) 具有基质和没有基质的结构。(d–f) 密歇根州立大学(MSU)设计和演示的能够播放音乐的小旗。(d) 原理图 (e) 模型放大的光学图片 (f) 功能演示
(图片来源于：参考资料【2】)
在研究了扬声器后，研究人员又开始对于基于FENG的薄膜麦克风的性能和原理进行研究。如下图所示：
(a) 声音能量转化为电能的机制。(b) 基于FENG的麦克风系统的实验，对于音乐进行录音。(c,d) 声波和声谱图:(c) 原始音乐 (d) 录音音乐。(e,f) 一小段同步音乐:(e) 原始音乐 (f) 录音音乐，展开和详细的分析。
(图片来源于：参考资料【2】)
经过分析，研究人员得出：
记录的音乐的声学信息和原始音乐高度相似，即使一小段片段也是这样，可以达到高保真和高质量。
基于FENG的麦克风和扬声器从本质上讲，其实是同一种结构，但是采用相反的、可逆的电能和机械能的交互效应。这意味这基于FENG的扬声器或者麦克风，是真正的双功能的音响设备。根据用户需求，FENG可以很方便地切换它的功能。
最后，让我们来一起看看个人隐私安全方面应用，也就是语音识别和鉴权的功能。
随着可穿戴设备搜集的数据越来越多，保护隐私安全变得越来越重要。基于FENG的麦克风可以利用语音识别的方法，通过声纹对于用户进行鉴权。
(a) 个人电脑访问要求输入语音码，通过基于FENG的身份识别系统进行鉴权。(b) 基于Mel频率倒频谱分析的人工神经网络模型。(c–e) 管理员（上）和非法用户（下）说出的语音码‘OPEN SESAME’的音频信息。(c) 声波 (d) 声谱图 (e) 周期功率谱密度评估图 (f) 基于FENG的声学设备的各种应用
(图片来源于：参考资料【2】)
价值
对于这种基于FENG的设备来说，它的创新价值不仅限于能量采集设备，而且可用于可穿戴设备、智能硬件、音频设备等多个领域。
它可以实现声能和电能之间双向转化，不仅能够通过电产生声，也可以通过声产生电。未来，这样的设备有望集成到个人电脑、可穿戴设备、智能硬件等一些列消费电子产品中，不仅能够实现从人体运动中获取能量，还将带来各种更加精彩的应用。
参考资料
【1】http://msutoday.msu.edu/news/2017/how-scientists-turned-a-flag-into-a-loudspeaker/?utm_campaign=media-pitch&utm_medium=email
【2】https://www.nature.com/articles/ncomms15310
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