隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，語音交互正在重塑可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、無人機(jī)和智能汽車等人機(jī)交互電子設(shè)備的應(yīng)用場景。作為連接物理世界與智能感知系統(tǒng)的關(guān)鍵“窗口”，聲學(xué)端口極易受到水和粉塵的侵入，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕、短路甚至失效。傳統(tǒng)的聲學(xué)防水透聲膜面臨著一個難以調(diào)和的矛盾：要么為了追求完全防水而犧牲透氣性，導(dǎo)致顯著的聲傳輸損失；要么為了透氣而無法提供足夠防護(hù)。更嚴(yán)峻的是，現(xiàn)有商用膜的制備過程普遍依賴有毒溶劑和含氟聚合物，這些“永久性化學(xué)品”對環(huán)境、生物體健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

針對這一挑戰(zhàn)，東華大學(xué)丁彬教授、田昱城博士團(tuán)隊(duì)受計(jì)算機(jī)科學(xué)中的質(zhì)心泰森多邊形分形方法啟發(fā)，開發(fā)出一種獨(dú)特的綠色電納米圖案化技術(shù)，成功制備出環(huán)保型CVT納米線網(wǎng)絡(luò)聲學(xué)膜。該膜由直徑僅15納米的超細(xì)納米線構(gòu)成，形成了約190納米的納米級孔徑，兼具超疏水性和極低的氣流阻力率。實(shí)驗(yàn)表明，該膜在63至20000赫茲的寬頻范圍內(nèi)，聲傳輸損失低于0.35分貝，同時(shí)能抵抗高達(dá)110千帕的水壓，實(shí)現(xiàn)了防水與透聲性能的兼得。相關(guān)論文以“Eco-Friendly Centroidal Voronoi-Tessellated Nanowire Networks for Efficient Ingress Protection and Broadband Acoustic Transparency”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先通過調(diào)控綠色三元介穩(wěn)溶液體系，利用泰勒錐噴出液滴中非溶劑種子的快速相分離機(jī)制，成功自組裝出二維CVT納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。掃描電鏡圖像顯示，該網(wǎng)絡(luò)由直徑僅為5-30納米的無限延伸一維納米線構(gòu)成，平均直徑僅15納米，比傳統(tǒng)靜電紡納米纖維的直徑小了兩個數(shù)量級。這種深亞波長尺度的納米線結(jié)構(gòu)，為其在寬頻聲學(xué)范圍內(nèi)的“聲學(xué)隱身”效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。更重要的是，該制備技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性，已能制備出寬80厘米、厚約20微米的卷裝自支撐膜。實(shí)驗(yàn)演示中，將這種膜置于持續(xù)通氣的盛水容器底部，氣泡可以自由通過而水完全不會泄漏；將其集成到MEMS麥克風(fēng)中后，在5千赫茲頻率下的聲傳輸損失僅為0.34分貝，不到商用PTFE膜的十分之一，綜合性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有材料。

圖1 EcoCVT-net防水透聲膜用于語音人工智能人機(jī)交互電子設(shè)備的示意圖。

圖2 (a) 基于Avrami-Johnson-Mehl方法的Voronoi圖構(gòu)建原理示意圖，每個圓形區(qū)域從成核種子點(diǎn)（Si, i=1,2,3,...,n）生長，直到它們在紫色邊界處相互接觸。 (b) 綠色電納米圖案化技術(shù)及EcoCVT-net膜性能示意圖。 (c) 不同放大倍數(shù)下EcoCVT-net膜的SEM圖像。 (d) 本工作與傳統(tǒng)靜電紡納米纖維膜的纖維直徑分布對比。 (e) 大面積照片、(f)防水透氣能力展示、(g)不同展示形式的EcoCVT-net膜聲學(xué)透氣窗樣品。 (h) PTFE膜與EcoCVT-net膜在5 kHz頻率下的STL對比。 (i) EcoCVT-net膜與其他已報(bào)道W&A膜的性能對比，其中d代表纖維直徑，t是材料厚度，λ表示20 kHz聲波的波長。

為揭示這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，研究者構(gòu)建了流體動力學(xué)模型并繪制了聚合物/乙醇/水的三元相圖。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水含量超過1%時(shí)，泰勒錐會從連續(xù)射流轉(zhuǎn)為微小液滴噴射。隨著水含量從2%增至6%，相分離過程逐漸加劇，薄膜從致密結(jié)構(gòu)演變?yōu)榫鶆蚍植嫉目紫?，最終形成全覆蓋的二維CVT納米纖維網(wǎng)絡(luò)（6-79體系）。但當(dāng)水含量過高（8%）時(shí)，則會因過度相分離導(dǎo)致納米纖絲斷裂。通過實(shí)時(shí)光透過率監(jiān)測和分子間靜電勢能計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)闡明了相分離的動力學(xué)過程：乙醇快速揮發(fā)后，均勻分布的水分子簇作為成核種子觸發(fā)非溶劑誘導(dǎo)相分離，聚合物鏈被排斥并自組裝成有序的富集區(qū)，最終形成蜂窩狀均勻鑲嵌的CVT納米圖案。

圖3 (a) 流體的電荷密度。 (b) 水濃度分別為0和1 wt.%時(shí)得到的流體噴射光學(xué)圖像（上）和所得納米材料的SEM圖像（下）。 (c) 聚合物/乙醇/水體系的三元相圖。 (d) 從(c)中四條不同水/乙醇比例路徑獲得的EPU膜的SEM圖像；插圖為偽紫色圖像。 (e) 不同聚合物/乙醇/水溶液的相對光透過率偏差。 (f) EPU/乙醇、EPU/水、乙醇/水體系的分子片段相互作用的靜電相互作用能及其IGMH可視化相互作用等值面圖。圖中的青色、藍(lán)色、紅色和白色球體分別代表碳、氮、氧和氫原子。 (g) 通過變形薄膜相分離自組裝形成EcoCVT-net的示意圖。 在(b)、(d)和(e)中，X-Y分別代表水和乙醇的濃度（wt.%）。

得益于全覆蓋的均勻CVT納米圖案，該膜的孔徑分布集中在180-280納米之間，平均孔徑僅0.19微米，比傳統(tǒng)納米纖維膜和PTFE膜小一個數(shù)量級。同時(shí)，膜表面的微乳頭結(jié)構(gòu)使其達(dá)到超疏水狀態(tài)（水接觸角151°），對不同液體（水、油、咖啡）的耐水壓達(dá)22-110千帕。在空氣滲透率方面，由于20納米直徑的納米線小于空氣分子的平均自由程（約65納米），產(chǎn)生了氣流滑移效應(yīng)，使得在4000帕測試壓力下，其空氣滲透率達(dá)2.484×103升每平方米每秒，是同等厚度PTFE膜的3.4倍以上。在聲學(xué)性能上，該膜在63-6300赫茲范圍內(nèi)STL低于0.35dB，透射系數(shù)高于0.96，而PTFE膜在高頻段透射系數(shù)急劇下降。有限元模擬進(jìn)一步證實(shí)，高孔隙率和低氣流阻力使其具有極佳的聲阻抗匹配，而深亞波長尺度的納米線在瑞利散射機(jī)制下散射強(qiáng)度極低，共同構(gòu)成了其寬帶聲透明機(jī)制。

圖4 (a) 數(shù)值拉普拉斯壓力。 (b) PTFE膜、含氟納米纖維膜和EcoCVT-net膜的孔徑分布。 (c) EcoCVT-net膜對不同液體的接觸角和耐水壓。 (d) PTFE膜和EcoCVT-net膜的空氣滲透率，插圖為氣流速度場模擬。 (e) STL和透射系數(shù)、(f)氣流阻力和孔隙率、(g) PTFE膜和EcoCVT-net膜的模擬聲場分布對比；白色箭頭表示入射平面波。 (h) EcoCVT-net膜的寬帶聲透明機(jī)理示意圖，其中Pref、Pabs和Pscat分別代表聲波的反射、吸收和散射聲壓級。 (i) 膜的聲音壓力級分布對比。

作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)將該膜集成到基于AI的語音人機(jī)交互設(shè)備中。在消聲室進(jìn)行的錄音對比實(shí)驗(yàn)中，與無保護(hù)膜的麥克風(fēng)相比，EcoCVT-net聲學(xué)透氣窗在高達(dá)15千赫茲的寬頻范圍內(nèi)幾乎無信號損失，而PTFE聲學(xué)透氣窗在10千赫茲以上出現(xiàn)明顯衰減和失真。在實(shí)際應(yīng)用中，集成該膜的AI開發(fā)板能精準(zhǔn)識別用戶的語音指令，實(shí)現(xiàn)語音喚醒、問答和語音控制等功能。更關(guān)鍵的是，經(jīng)過1000小時(shí)的IP68級防塵防水測試（水深1.2米浸泡+1250目滑石粉覆蓋），模塊的聲響應(yīng)強(qiáng)度幾乎無變化，MEMS麥克風(fēng)振膜上未檢測到任何粉塵，展現(xiàn)出卓越的長期防護(hù)穩(wěn)定性。

圖5 (a) 定制聲學(xué)透氣窗的結(jié)構(gòu)示意圖和照片。 (b) 消聲室內(nèi)錄音質(zhì)量對比裝置照片。 (c) 無透氣窗、通過PTFE膜和EcoCVT-net聲學(xué)透氣窗記錄的原始音頻波形和聲譜圖。 (d) PTFE膜與EcoCVT-net聲學(xué)透氣窗自由場響應(yīng)對比。 (e) EcoCVT-net聲學(xué)透氣窗應(yīng)用于語音人機(jī)交互的照片。 (f) 聲學(xué)模塊IP68級防護(hù)測試照片。 (g) 在IP68耐久性測試前后，聲學(xué)模塊記錄的2000 Hz正弦波形，插圖為MEMS麥克風(fēng)振膜的SEM圖像。

這項(xiàng)研究通過綠色電納米圖案化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)保型超細(xì)納米線網(wǎng)絡(luò)的可控制備，從根本上解決了傳統(tǒng)聲學(xué)防水透聲膜長期存在的“防水-透聲”性能平衡難題。這種基于質(zhì)心泰森多邊形結(jié)構(gòu)的納米網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)策略，不僅為纖維聲學(xué)超材料提供了可持續(xù)發(fā)展的新路徑，更有望推動下一代語音交互人機(jī)電子設(shè)備向更環(huán)保、更高性能的方向邁進(jìn)。