當(dāng)你坐在沙發(fā)上，房間的墻紙就能放音樂，讓你沉浸于真實(shí)的環(huán)繞立體聲；同時(shí)，這些墻紙還具有麥克風(fēng)的功能，讓你對(duì)智能家居發(fā)號(hào)施令。
這聽著很科幻，卻真的可以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最關(guān)鍵的是，要做成這樣一款神奇的薄膜音箱，只需要低成本壓電薄膜材料和簡(jiǎn)單的加工工藝就行，相比之前的技術(shù)更具備大規(guī)模應(yīng)用的前景。
承載這個(gè)夢(mèng)想的是一種非?？犰诺男滦投喙δ苈晫W(xué)薄膜。它的發(fā)明者，是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）電機(jī)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系博士后韓金池。
近日，這項(xiàng)研究發(fā)表在國(guó)際頂刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。
巧妙的“三明治”設(shè)計(jì)
科研人員總能讓那些看似天馬行空的想法一個(gè)個(gè)成真，更好地造福于人類。
韓金池所在團(tuán)隊(duì)的研究便是如此。對(duì)比現(xiàn)在市面上已有的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器，他們更希望做出非常薄、柔性好、可透明并且具有較好聲學(xué)特性的替代品。這些閃光點(diǎn)，恰好也被一些國(guó)際知名公司所看中。
一開始，他們涌現(xiàn)了很多想法，然后篩選出三種較為合適的方案，其中有兩種是基于靜電效應(yīng)的聲學(xué)薄膜，一種是基于壓電技術(shù)的聲學(xué)薄膜。經(jīng)過建模和仿真，衡量加工難度后，最終壓電方案勝出。
“拿起一張看起來(lái)像紙的東西，在上面夾上音頻線，音頻線另一端插入電腦的耳機(jī)端口，就能聽到它發(fā)出的聲音，這感覺非常奇妙?！闭撐母缴系难菔疽曨l如此介紹這個(gè)新發(fā)明。
其實(shí)薄膜揚(yáng)聲器以前就有，但薄膜在加電壓后要能自由振動(dòng)，才能發(fā)出聲音。這就意味著薄膜必須做成懸空的設(shè)計(jì)，使振動(dòng)不受阻。
然而，不讓它接觸任何物體表面，就無(wú)法做成墻紙貼在室內(nèi)墻壁，也無(wú)法嵌入汽車內(nèi)飾，這大大限制了應(yīng)用范圍。
所以，懸空的薄膜結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵。韓金池用一個(gè)巧妙的“三明治”設(shè)計(jì)，讓這個(gè)問題迎刃而解。
“未必要讓整個(gè)薄膜都懸空和振動(dòng)，我設(shè)計(jì)了一些懸空的微結(jié)構(gòu)——許多像泡泡一樣的小圓頂，它們可以自由振動(dòng)，并代替薄膜的整體振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生聲音。”論文第一作者韓金池向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。
小圓頂形成陣列結(jié)構(gòu)。受訪者供圖
這些圓頂微結(jié)構(gòu)是采用真空壓紋工藝加工在超薄的聚偏二氟乙烯壓電薄膜上，把這個(gè)壓電薄膜夾在兩片多孔PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）材料中間，相當(dāng)于給圓頂創(chuàng)造了一定的空間，使它們始終懸空，并且可以自由振動(dòng)。
兩層PET都各司其職：底層是為了讓壓電薄膜能與安裝的物體表面形成一個(gè)空間，從而不影響圓頂振動(dòng)，確保在各類應(yīng)用場(chǎng)合下展現(xiàn)出優(yōu)異的性能；頂面那層則是為了保護(hù)脆弱的小圓頂在日常操作中免受磨損和沖擊，提高耐用性。因?yàn)橛檬种苯佑|摸超薄的壓電薄膜，容易導(dǎo)致上面的圓頂產(chǎn)生變形甚至凹陷。
受訪者供圖
每個(gè)小圓頂高約15微米，還不及一根頭發(fā)的厚度。壓電材料的厚度只有8~12微米。PET的厚度是50微米。雖然疊加了這么多材料，但整個(gè)聲學(xué)薄膜依然很薄，厚約0.1毫米，相當(dāng)于一張紙而已。
韓金池表示，他們還可以把這款薄膜揚(yáng)聲器做得更薄。因?yàn)檫@項(xiàng)研究所用的PET是市面上現(xiàn)成的，未來(lái)可以加工更薄的PET材料。
一切的選材看似很隨意，實(shí)則是團(tuán)隊(duì)深謀遠(yuǎn)慮。
“我們的核心思想是以實(shí)用化為導(dǎo)向，目的并不是要在性能上創(chuàng)紀(jì)錄，所以亮點(diǎn)并不在材料本身?！表n金池表示，用最常見的材料、最低成本的加工手段，還能保證優(yōu)異性能，才能讓這項(xiàng)技術(shù)走得更遠(yuǎn)。
低功耗、高性能、可降噪
常見的揚(yáng)聲器是靠電流驅(qū)動(dòng)，需要較大的電流輸入，通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶動(dòng)振膜振動(dòng)從而產(chǎn)生聲音。但是，有大電流就容易導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，造成能量損耗。
而團(tuán)隊(duì)開發(fā)的薄膜揚(yáng)聲器，其壓電材料上的每個(gè)微小圓頂都是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)聲單元，當(dāng)數(shù)千個(gè)這樣的小圓頂形成陣列結(jié)構(gòu)并一起振動(dòng)，便可以產(chǎn)生聲音。
“整個(gè)過程靠電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，沒有很大的電流，也就不會(huì)形成很明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，功耗比現(xiàn)有的揚(yáng)聲器低很多。”韓金池表示。
值得一提的是，與現(xiàn)有的各類薄膜揚(yáng)聲器相比，該發(fā)明在產(chǎn)生聲音方面具備更高的靈敏度和帶寬，并且可貼在任何物體表面使用。即使在一些彎曲或不規(guī)則表面上，它依舊能輸出高質(zhì)量的聲音。
可不要小看這些小圓頂?shù)谋臼?，它們不僅可以產(chǎn)生聲波，同時(shí)還能感應(yīng)聲波。也就是說，這款聲學(xué)薄膜還可以用作麥克風(fēng)來(lái)記錄音頻，且具備高保真度。
聲學(xué)薄膜。受訪者供圖
其主動(dòng)降噪的能力更是引起了關(guān)注。
“未來(lái)大面積布置的薄膜揚(yáng)聲器可以在嘈雜的環(huán)境（例如飛機(jī)座艙）中，通過產(chǎn)生相同幅度但相位相反的聲音來(lái)削弱噪聲，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降噪。”韓金池說。
將來(lái)面對(duì)不同的應(yīng)用會(huì)提出更多要求，而這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還在于可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。
“現(xiàn)在的性能還有很大的提升空間，我們還可以做很多微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)去替代圓頂，甚至做一些特定微結(jié)構(gòu)的組合去改善低頻的特性?！表n金池表示。
接下來(lái)，他們會(huì)不斷嘗試、繼續(xù)改進(jìn)，讓該技術(shù)未來(lái)能夠在空間主動(dòng)降噪與沉浸式音頻、人機(jī)聲學(xué)接口、智能家居、柔性消費(fèi)電子設(shè)備、超聲測(cè)距與成像、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域大顯身手。
做科研完全是因?yàn)闊釔?/span>
韓金池在MIT的實(shí)驗(yàn)室里。受訪者供圖
和許多理工科學(xué)生一樣，韓金池也經(jīng)歷過一個(gè)由迷茫到堅(jiān)定的心路歷程。
2009年，他考入清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，本科前兩年的時(shí)間都用在上課、學(xué)習(xí)和考試上。
認(rèn)真努力的他幾乎在自習(xí)室“安家”，只為從眾多精英中脫穎而出。但這樣按部就班的生活，始終讓他感覺缺少滋味，甚至有些迷茫。
直到大三那年，一次偶然的機(jī)會(huì)讓韓金池參與到一個(gè)新型無(wú)線充電項(xiàng)目，該項(xiàng)目恰好是那年的SRT挑戰(zhàn)杯專項(xiàng)。
正是這個(gè)契機(jī)，讓他對(duì)科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，“相比考試拿一個(gè)高分而言，我更喜歡做研究。”
“開關(guān)”被打開便一發(fā)不可收拾。
此后，韓金池作為本科生參加了一些國(guó)內(nèi)外科研競(jìng)賽并頻頻拿獎(jiǎng)。其中最令他印象深刻的是，大三暑假在美國(guó)參加了全球電力系統(tǒng)頂級(jí)會(huì)議IEEE PES GM（電氣電子工程師學(xué)會(huì)電力與能源協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)）。
這場(chǎng)盛會(huì)專門為學(xué)生開設(shè)了學(xué)術(shù)墻報(bào)競(jìng)賽，韓金池帶著他的科研成果與190名來(lái)自世界各地的本科生及研究生同臺(tái)競(jìng)技。他做的關(guān)于無(wú)線充電的展示獲得了評(píng)委專家的認(rèn)可，最終以第2名的佳績(jī)獲得Best Poster Award，成為首位獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)的亞洲學(xué)生。
“起初我是抱著‘見世面’的態(tài)度去的，也想借此機(jī)會(huì)多跟專家交流。最后能獲獎(jiǎng)對(duì)我的鼓勵(lì)很大，整個(gè)研究的過程也讓我覺得很有滿足感。從那以后，我想投入更多的時(shí)間做科研?！表n金池說。
保研本校后，他繼續(xù)在原系專注于電氣工程領(lǐng)域的科研工作，導(dǎo)師也給了他足夠的自由度，讓他能選擇自己喜歡的研究。
后來(lái)，韓金池選擇到MIT繼續(xù)讀博深造，并在MIT從事博士后研究。出于對(duì)微納電子和微納加工的喜愛，他選擇從事極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的微納電子器件領(lǐng)域的科研工作。
“MIT的微納電子專業(yè)非常出名，能在這里繼續(xù)從事跨專業(yè)跨領(lǐng)域研究，對(duì)我有很重要的意義。我博士和博士后階段的導(dǎo)師之一，也是這篇論文的通訊作者Jeffrey Lang教授在微機(jī)電領(lǐng)域很有影響力，他傳授了很多經(jīng)驗(yàn)給我?！表n金池很享受現(xiàn)在的研究氛圍。
韓金池表示，今后還會(huì)一如既往地做科研?！跋Ｍ龀鲆恍┖苡袃r(jià)值和應(yīng)用前景的成果，能為改善人們的生活做點(diǎn)貢獻(xiàn)?！?/span>
