皮肤也能播放音乐？透明可穿戴式麦克风问世

原创：向菲菲科研圈 2018-10-20

图片来源：Ulsan National Institute of Science and Technology

撰文向菲菲

编辑徐文慧

“在我的BGM里，没人能够打败我”——这将不再是影视剧人物的专属：现在，在手指上贴一块堪比纹身的纳米薄膜，便能随身自带麦克风和扬声器了。来自韩国蔚山科学技术大学（Ulsan National Institute of Science and Technology）的科学家，他们利用正交银纳米线阵列，制造出了一款纳米级厚度的超薄、透明的杂化纳米薄膜。该薄膜良好的导电性能和力学性能，使其能制造成可穿戴的扬声器和麦克风，并且还具有优异的人声识别功能。这项成果于 8 月 3 日发表在 Science Advances 上。

薄如蝉翼的秘密

该文章的通讯作者，Hyunhyub Ko 和他的研究团队选择了杂化纳米薄膜作为制备目标。不同于单纯的聚合物纳米薄膜，杂化纳米薄膜的电学和力学性质可由薄膜内的填充物调节。常用的填充物有金属纳米颗粒、纳米线、纳米碳管、石墨烯等。金属纳米线/聚合物的薄膜组合能让纳米薄膜的韧性更好，同时兼具聚合物薄膜柔软、透明、轻便的优点。

可穿戴纳米薄膜器件

图片来源：论文

在电学方面，为了获得良好的导电性，Hyunhyub Ko 等人选择了银纳米线。他们首先利用基于溶液的棒涂组装技术（bar-coating assembly technique）将正交式的银纳米线阵列在衬底上制备出来，然后再将一种生物相容性好、化学性质稳定的聚合物（Parylene C）用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方式转移到银纳米线阵列上，最后将制备好的杂化薄膜从基底上剥离，便得到了纳米级厚度的杂化薄膜。

银纳米线呈交叉排列的网络状结构，因此非但没有破坏薄膜的透明性，还提高了薄膜的韧性。Hyunhyub Ko 说：“我们的研究最大的突破就是制备出了这种超薄、透明又能导电的杂化纳米薄膜。薄膜的厚度只有不到 100 纳米。它优异的光学、电学和力学特性，使这种薄膜能够进一步制成贴在的皮肤上的扬声器和麦克风。”

杂化纳米薄膜的制备过程

图片来源：论文，Science Advances

小身量，大用途

别小看这只有不到 100 纳米厚度的纳米薄膜，两条导线加身后，它就能变身成为扬声器、麦克风甚至人声识别器。

这种加入了银纳米线的纳米薄膜具有非常低的抗弯刚度，可以很好的贴合起伏不平的 3D 表面，比如人类的皮肤，还能随着皮肤弯曲和伸展。贴上后会在皮肤上显出一小块闪闪发亮的地方，给这块“闪闪发亮”的地方施加电流后，薄膜局部温度会发生改变，使薄膜周围空气的产生振荡，当这种振荡以波的形式传播出来，就形成了我们听到的声音。

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贴在皮肤上的纳米薄膜演奏乐曲

视频来源：论文

Hyunhyub Ko 团队中的一位研究人员，用贴在手背上的纳米薄膜，通过热声效应，成功的让皮肤“演奏”了一首帕格尼尼的小提琴协奏曲。

若将该薄膜夹在孔状的弹性薄膜和具有微金字塔状图案的薄膜中间，制成的杂化薄膜器件就能变身透明、可穿戴的麦克风了，它不仅能探测声音，还能识别不同人发出的声音。根据摩擦生电的原理，杂化薄膜器件能探测到声音和声带的振动，并且，通过振动频率的差别将不同的声音区分开来，达到声音识别的目的。

杂化纳米薄膜制成的扬声器（上图），麦克风（左下）和声音识别系统（右下）

图片来源：论文

完美才是终极目标

虽然 Hyunhyub Ko 团队向我们展示了银纳米线阵列杂化纳米薄膜的多种应用领域。但这块薄薄的器件还有诸多缺点，导致其无法进行商业化生产。

研究人员希望可以先改进薄膜的材料，让它们更适合大规模生产；之后将薄膜的力学性能做进一步的提高，保证薄膜的质量，而不是每次贴薄膜的时候都需要小心翼翼。

除了薄膜自身的缺点外，如何提高制成器件的质量也是一个有待开发的领域。贴上薄膜扬声器，做一个出场自带背景音效的人，这样的愿望已经变得触手可及了。

论文链接：