人类听觉被模仿？压电纳米纤维做到精准定位声音

朋友们，今天一起来了解一项基于压电纳米纤维的智能听力系统。听力对我们至关重要，然而，听力损失却影响着各个年龄段的人，给生活带来诸多不便。目前的助听器和植入物等治疗手段，在精准定位声源方面存在不足。而这个智能听力系统，灵感源自人类听觉系统，有望带来新的突破。

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一、灵感来源与研究背景

人类的听觉过程十分复杂，耳朵里的“耳蜗”起着关键作用，它能把声音信号转化为电信号，通过听觉神经传递给大脑。声音的识别和定位对于人类与环境的交互至关重要，我们依靠双耳听到声音的时间差和强度差来判断声源方向，但垂直方向的定位更复杂。

受人类听觉系统启发，人工听觉设备不断发展，可现有设备在空间声音定位上仍面临挑战。比如，人工耳蜗使用者在垂直定位声音、解释单耳声源方向线索以及受环境影响估计距离等方面存在困难，脑干植入也有空间能力的限制。

二、系统设计与原理

为了解决这些问题，研究团队设计了一种类似螺旋蹦床结构的压电声学设备（ST-PiezoAD）。它由内外电极构成，通过静电纺丝在电极间形成径向排列的压电纳米纤维，这些纳米纤维由聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和钛酸钡纳米颗粒（PVDF-TrFE/BTO NP）的纳米复合材料制成。

在声音刺激下，纳米纤维像弹簧一样振动，将声波转化为电信号。而且，该设备还结合了机器学习，构建了人工“听觉皮层”模型，能够精准识别声音方向。

三、关键组件特性剖析

对PVDF-TrFE/BTO 纳米纤维进行了全面研究。发现其最佳 BTO 纳米颗粒浓度为 6 wt%，此时纳米纤维内 BTO 纳米颗粒分布均匀，晶体结构和取向也有相应变化，β 相晶体占主导且结晶度增加。

在力学性能方面，添加 BTO 纳米颗粒会使纳米纤维的表观模量增加，但强度和极限应变降低。通过压电 force microscopy（PFM）检测，证明了纳米纤维的铁电特性，添加 BTO 纳米颗粒增强了其压电性。

四、设备性能深入探究

研究人员还对 ST-PiezoAD 和简化的 CT-PiezoAD 进行了性能测试。以 CT-PiezoAD 为例，改变其外圆直径和内圆面积比例，发现随着外圆直径增大，一阶共振频率下降，位移和灵敏度增加；内圆悬臂比例变化也会影响共振频率和输出。ST-PiezoAD 有四个通道，各通道共振频率不同，且通道间相互影响。

通过激光测振仪和有限元分析（FEA）建模对其振动模式进行研究，结果表明该设备能有效分离振动频谱并转换为电压输出，模拟结果与实验观察相符。

五、AI 助力的卓越表现

借助机器学习，这个智能听力系统展现出了惊人的能力。收集了大量来自不同方向和自然语言内容的压电声学信号来训练模型，经过多次迭代，模型在训练和验证数据上的准确率超90%。

使用基于注意力的变压器模型分析声音方向特征，该系统在 3D 空间中识别声音方向的准确率极高，在xy平面平均准确率达97±3.2%，yz平面为92.1±8.1%，对不同距离的识别准确率也能达到100%。而且，通道数量越多，识别准确率越高。此外，该系统还能进行声音识别和音乐录制等任务。

六、总结与展望

基于压电纳米纤维的智能听力系统结合了可编程的不对称压电纳米纤维结构和数字智能神经网络，在声音识别和方向识别方面表现出色，灵敏度和准确性都很高。不过，要真正应用到实际生活中，还需要进行设备小型化、系统集成和现场测试等工作。这项研究为人工耳蜗设备、人工听觉系统和人工空间智能领域带来了新的变革，让我们离复制人类听力系统的能力又近了一步。

一起来做做题吧

1、关于人类听觉系统，下列说法正确的是？

A. 声音识别仅依靠单耳线索

B. 垂直方向声音定位比水平方向简单

C. 耳蜗负责将声信号转化为电信号

D. 听觉神经直接将信号传递给大脑皮层

2、目前人工听觉设备存在的主要问题是？

A. 无法将声音转化为电信号

B. 空间声音定位困难

C. 体积过大携带不便

D. 价格过于昂贵

3、关于 PVDF-TrFE/BTO 纳米纤维，最佳 BTO NPs 浓度是多少？

A. 2 wt%

B. 4 wt%

C. 6 wt%

D. 8 wt%

4、在研究 CT-PiezoAD 时，增大其外圆直径会导致什么结果？

A. 一阶共振频率升高

B. 位移减小

C. 灵敏度降低

D. 一阶共振频率降低

5、AI 辅助的 ST-PiezoAD 在声音方向识别上，xy 平面的平均准确率约为多少？

A. 80%

B. 97%

C. 92.1%

D. 100%

参考文献：

Jinke Chang et al. Piezoelectric nanofiber–based intelligent hearing system. Sci. Adv.11, eadl2741(2025).