引言

隨著智能機(jī)器人的發(fā)展，我們將面臨許多重要的挑戰(zhàn)。聽覺系統(tǒng)作為人與機(jī)器人最有效和最直接的溝通渠道，需要機(jī)器人不僅可以聽從我們的指令，而且需要感知我們的語氣語調(diào)，這樣才能實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的真正社交化。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的社交化，我們的聽覺傳感器件需要在寬的頻帶上表現(xiàn)出超強(qiáng)的靈敏特性。另一方面，全球有接近10%的人口存在聽力障礙，通過外部聽覺輔助設(shè)備輔助聽障人士的日常交流對(duì)于機(jī)器人的社交化同樣重要。通常聽障人士的聽覺系統(tǒng)僅僅對(duì)某個(gè)或者某些特征頻段的聲音不靈敏，外部助聽設(shè)備的功能就是放大該特征頻段的聲音，使得其能夠被使用者聽見。為了實(shí)現(xiàn)上述的聽覺功能，傳統(tǒng)的聽覺以及助聽系統(tǒng)均極大依賴電路以及信號(hào)處理的輔助，考慮機(jī)器人系統(tǒng)大量的傳感器件的使用，這將增大能量的損耗，縮短其工作周期。因此從傳感器件角度，開發(fā)具有高靈敏度，寬頻特性，頻率選擇特性的自驅(qū)動(dòng)聽覺傳感器件是為解決機(jī)器人社交化以及能源挑戰(zhàn)的有效方案。

成果簡介

2018年7月25日，重慶大學(xué)胡陳果教授、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王杰研究員，王中林院士（共同通訊作者）等人在Science Robotics發(fā)表了題為“A highly sensitive, self-powered triboelectric auditory sensor for social robotics and hearing aids”的研究論文，郭恒宇，蒲賢潔，陳杰為論文共同第一作者。該論文報(bào)道了采用摩擦納米發(fā)電技術(shù)發(fā)開的圓片式自驅(qū)動(dòng)單通道人工耳蝸，通過器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度寬頻響應(yīng)以及頻選特性，展示了其在社交機(jī)器人聽覺系統(tǒng)以及外部助聽設(shè)備中的潛在應(yīng)用價(jià)值。相比傳統(tǒng)的壓電式人工耳蝸，摩擦電技術(shù)具有中低頻寬頻響應(yīng)特性，這基本覆蓋了人們?nèi)粘＝涣鞯穆?a target="_blank">音頻段，摩擦電技術(shù)具有更高的信號(hào)輸出強(qiáng)度，單通道以及制備簡單廉價(jià)等特點(diǎn)。該研究結(jié)果展示了摩擦納米發(fā)電技術(shù)在解決下一代智能機(jī)器人挑戰(zhàn)中巨大的應(yīng)用前景。

圖一：摩擦電聲音傳感器件的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

（A）摩擦電聽覺傳感器件構(gòu)建的社交機(jī)器人示意圖；（B）摩擦電聲音傳感器件的基本結(jié)構(gòu)；（C）摩擦層材料表面刻蝕粗糙化（增強(qiáng)表面電荷密度和信號(hào)輸出強(qiáng)度）；（D）摩擦電聲音傳感器件（圓片式，可透明）；（E）聲音傳感器件的結(jié)構(gòu)分解示意圖；（F）震動(dòng)薄膜在不同頻率激勵(lì)下的模式模擬；（G）自驅(qū)動(dòng)聲音傳感器件的信號(hào)產(chǎn)生原理。

圖二：摩擦電聲音傳感器件的基本輸出特性

（A）基本聲音傳感器件的性能影響參數(shù)示意圖；（B）基本聲音傳感器件在掃頻下的信號(hào)輸出曲線；（C）振動(dòng)薄膜直徑對(duì)于頻譜特性的影響；（D）振動(dòng)薄膜厚度對(duì)于頻譜特性的影響；（E）摩擦電聲音傳感器件在不同分貝下的信號(hào)強(qiáng)度以及靈敏度測試；（F）摩擦電聲音傳感器件的方向傳感特性；（G）基于摩擦電聲音傳感器件的聲控系統(tǒng)電路模塊；（H）聲控?zé)粝到y(tǒng)；（I）透明摩擦電聲音傳感器件構(gòu)建的防盜系統(tǒng)。

圖三：摩擦電聽覺傳感器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬頻特性以及頻選特性

（A）同心圓環(huán)邊界條件的引入結(jié)構(gòu)示意圖；（B）圓環(huán)形薄膜在掃頻下的特征輸出信號(hào)曲線；（C）圓環(huán)形薄膜尺寸參數(shù)對(duì)于頻譜特性的影響；（D）基本摩擦電聲音傳感器件與引入圓環(huán)形邊界的傳感器件輸出信號(hào)曲線對(duì)比；（E）引入不同圓環(huán)形邊界的傳感器頻譜特性對(duì)比；（F）分割扇形邊界條件的引入結(jié)構(gòu)示意圖；（G）分割扇形薄膜在掃頻下的特征輸出信號(hào)曲線；（H）分割扇形薄膜尺寸參數(shù)對(duì)于頻譜特性的影響；（I）基本摩擦電聲音傳感器件與引入扇形邊界的傳感器件輸出信號(hào)曲線對(duì)比；（J）引入分割扇形傳感器件的頻譜特性。

圖四：摩擦電聽覺傳感器件用于高品質(zhì)聲音記錄以及人聲識(shí)別

（A）安裝有摩擦電聽覺傳感器件的機(jī)器人；（B）原始的音樂以及摩擦電聽覺傳感器件記錄的聲波信息；（C）頻域下的聲譜信息對(duì)比；（D）不同人說“Hello”時(shí)的聲波曲線；（E）聲音的功率譜以及頻域聲譜信息對(duì)比；（F）演示摩擦電聽覺傳感器的人聲識(shí)別應(yīng)用。

圖五：摩擦電聽覺傳感器件用于外部助聽器件

（A）基于摩擦電聽覺傳感器的助聽系統(tǒng)應(yīng)用場景；（B）傳統(tǒng)助聽系統(tǒng)的信號(hào)處理流程；（C）具有頻選特性的摩擦電聽覺傳感器助聽系統(tǒng)信號(hào)處理流程；（D）摩擦電聽覺傳感器件的頻選特性頻譜；（E）正常聲音，軟件特征頻率削弱聲音以及摩擦電聽覺傳感器恢復(fù)聲音的聲波曲線以及頻域聲譜信息。