美國密西根州立大學(Michigan State University;MSU)的研究人員最近發表有關鐵電駐極奈米發電機(FENG)的最新突破,能進一步表徵其薄膜FENG作為軟性聲學換能器的行為特性——可同時作為揚聲器和麥克風!

這項研究已發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊的「基於奈米發電機的雙功能、自供電薄型貼片揚聲器或麥克風」(Nanogenerator-based dual-functional and self-powered thin patch loudspeaker or microphone for flexible electronics)一文,探討FENG在不同聲壓強度(SPL)下的能量轉換機制。由於厚度僅0.1mm的聚丙烯鐵電體(PPFE)包括在「金屬-絕緣層-金屬」結構中表現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地傳導至交替的電訊號。在此的研究重點主要是能量採集,研究人員專注於讀取由聚合物FENG產生的類比訊號。

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研究人員透過這種薄膜FENG打造出一種像紙般輕薄的軟性元件,不僅能從人類的動作產生能量,還可作為以作為揚聲器和麥克風。這項在音訊方面的突破最終將可用於開發諸如可折疊的揚聲器、語音啟動的安全貼片,甚至是會說話的報紙。

密西根州立大學電子和電腦工程系副教授Nelson Sepulveda表示:「這是第一款超薄、軟性、可調整且雙向功能的換能器,能夠將機械能轉化為電能或電能轉化為機械能,」用於打造出厚度可薄至0.1mm的揚聲器或麥克風功能。

Sepulveda及其研究團隊曾經在去年底展示薄如紙張的元件——即鐵電發電器或FENG,可用於為鍵盤、LED燈和LCD觸控螢幕供電。只需手指滑動或輕按的動作,即可啟動裝置,將機械能轉化為電能。

如今的最新突破,更進一步擴展了FENG的可用性。研究人員發現,這種高科技材料可以作為麥克風(從聲音或機械能中擷取振動,並將其轉換為電能)以及揚聲器(反向操作:將電能轉換為機械能)。

為了展示麥克風的效果,研究人員設計了一款FENG安全增補程式,可用語音辨識存取電腦。這個增補程式成功地用於保護個人電腦免於外在使用者。Sepulveda說:「該元件對於振動極其敏感,因而能夠捕捉到聲音的頻率組成。」

為了展現揚聲器的效果,研究人員在一面學校校旗中嵌入FENG結構,並在iPad上透過放大器串流音樂至校旗,然後再完美無瑕地轉錄成聲音。Sepulveda說:「旗子就變成了揚聲器。因此,未來我們可用這種極輕薄、軟性的小型元件來取代尺寸較大、笨重且功耗大的揚聲器。」

想像有一天,人們可以從口袋中取出一個輕薄的揚聲器,隨手貼在牆壁上,就能將演講傳送給室內的所有人,Sepulveda說。

或者,他並補充說:「想像一份報紙,每一張紙都是麥克風和揚聲器。基本上,你就可以用語音啟動這份報紙跟你對話。」

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密西根州立大學工程研究員Wei Li表示,FENG的其他潛在應用包括降噪片以及語咅保護的健康監測腕帶等。Wei Li同時也是在《自然通訊》期刊發表這項研究的主要作者。

「許多研究都專注於軟性電子產品的視覺和觸控,」Li強調,「但我們也很重視這項技術的語音與聽覺方面。」

製造FENG的創新過程必須先從矽膠晶圓開始,然後再以銀、聚酰亞胺和聚丙烯鐵電等環保的多層或薄片物質製造而成。再添加離子,讓裝置中的每一層都包含帶電粒子。因此,當裝置受到人體運動或機械能量壓縮時,就會產生電能。

這項研究是由美國國家科學基金會(National Science Foundation;NSF)提供贊助。其他研究人員還包括密西根州立大學的David Torres、Ramon Diaz和Chuan Wang,以及喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的Zhengjun Wang、Changsheng Wu與Zhong Lin Wang等研究人員。

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