人類的聲音在交流中扮演著獨(dú)特而寶貴的角色，特別是在不斷發(fā)展的人機(jī)交互領(lǐng)域。隨著自動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，諸如蘋果Siri、谷歌助手和亞馬遜Alexa等智能語音助手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能家居自動(dòng)化、智能醫(yī)療保健和高效商業(yè)運(yùn)營(yíng)等多個(gè)領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的語音識(shí)別技術(shù)高度依賴于硬件和軟件組件，包括聲音采集設(shè)備（如麥克風(fēng)）、信號(hào)處理器和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過分析聲學(xué)信號(hào)特征來檢測(cè)和解釋特定的聲音模式。在緊急情況下，如電力或計(jì)算算法故障時(shí)，需要一種不依賴額外電力或計(jì)算資源的簡(jiǎn)單可靠的聲音解碼設(shè)備。

與電子設(shè)備不同，人類聽覺系統(tǒng)通過一種不同的機(jī)制來感知聲音和語音。20-20,000赫茲范圍內(nèi)的聲音會(huì)引起空氣振動(dòng)，從而在人類耳蝸的基底膜和毛細(xì)胞中引起機(jī)械共振。毛細(xì)胞通過其高度特化的纖毛結(jié)構(gòu)——毛束的位移，將機(jī)械聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)興奮。在每個(gè)哺乳動(dòng)物毛細(xì)胞的頂端，20-300根纖毛按高度遞增的三行排列，這對(duì)于聲音感知至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)一種模仿毛細(xì)胞自然纖毛結(jié)構(gòu)和功能的人工仿生裝置，可能解決現(xiàn)有電子和軟件驅(qū)動(dòng)語音識(shí)別技術(shù)的局限性。

• 成果簡(jiǎn)介：

近日，浙江大學(xué)顧臻、王金強(qiáng)等人成功構(gòu)建了一種3D打印的微米級(jí)人工纖毛陣列，其長(zhǎng)度與直徑比（L/D）可變，能夠感知并解碼100-6000赫茲的聲音頻率信號(hào)，包括鋼琴音樂和人聲。此外，該裝置還能在水中振動(dòng)，以聲頻率響應(yīng)的方式控制兩種藥物（胰島素和胰高血糖素）的釋放，用于治療1型糖尿病小鼠。

圖1. 耳蝸毛細(xì)胞啟發(fā)的人工纖毛陣列及其應(yīng)用示意圖。

• 人工纖毛陣列的制備與特性：

研究人員首先研究了新生大鼠耳蝸毛細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，模仿其纖毛結(jié)構(gòu)制備了人工纖毛陣列。通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2μm），制造出直徑100微米、L/D比30-100的人工纖毛。實(shí)驗(yàn)中，人工纖毛在600赫茲聲刺激下產(chǎn)生振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與聲信號(hào)函數(shù)曲線一致。經(jīng)過超過800萬次振動(dòng)循環(huán)后，纖毛陣列依然保持完整，展現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度。通過光學(xué)顯微鏡和高速相機(jī)測(cè)量其在不同頻率聲刺激下的振動(dòng)幅度，發(fā)現(xiàn)L/D比為30的人工纖毛在2400赫茲附近達(dá)到最大位移。

圖2. 人工纖毛陣列的制備與特性。

• 聲音解碼：

研究人員設(shè)計(jì)了具有不同共振頻率的人工纖毛，并將其集成在單個(gè)基底上進(jìn)行聲音解碼。實(shí)驗(yàn)中，人工纖毛能夠響應(yīng)不同頻率的聲音信號(hào)，如鋼琴曲《小星星》和男女聲音頻信號(hào)。當(dāng)播放特定音樂或語音時(shí)，相應(yīng)頻率的人工纖毛振動(dòng)，其振動(dòng)模式與音樂或語音信號(hào)的頻率變化一致，從而實(shí)現(xiàn)了無需電子設(shè)備和復(fù)雜算法的聲音頻率解碼。

圖3. 人工纖毛陣列的聲音解碼。

• 水中人工纖毛陣列的流體力學(xué)：

在水環(huán)境中，人工纖毛陣列的共振特性進(jìn)一步被研究。由于聲信號(hào)從空氣到液體的傳輸能量損失較大，研究中使用了壓電換能器（PZT）作為聲激勵(lì)源。通過COMSOL軟件模擬，發(fā)現(xiàn)人工纖毛在共振頻率下會(huì)在其尖部附近產(chǎn)生渦流，最大流速為0.00241米/秒。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了不同L/D比的人工纖毛在水中的共振頻率和振動(dòng)幅度，發(fā)現(xiàn)其共振頻率略低于在空氣中的頻率，振動(dòng)幅度也因水的阻力而減小。通過粒子圖像測(cè)速（PIV）實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在共振頻率下，人工纖毛尖部1毫米處的流體速度顯著高于其他頻率。

圖4. 人工纖毛陣列在水中的流體力學(xué)。

• 聲頻率響應(yīng)的藥物釋放：

研究還探索了人工纖毛陣列在藥物釋放方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中，將胰島素和胰高血糖素作為模型藥物，包載在GelMA水凝膠中并涂覆在人工纖毛表面。在PZT產(chǎn)生的聲刺激下，包載胰島素的人工纖毛在1小時(shí)內(nèi)釋放的胰島素量顯著高于未刺激組。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過120秒紫外線交聯(lián)的GelMA-90水凝膠在聲刺激下能釋放最多的胰島素。在體外實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過6小時(shí)的聲刺激，胰島素和胰高血糖素的釋放量均顯著高于未刺激組。此外，人工纖毛還展現(xiàn)出脈沖釋放藥物的特性。

圖5. 聲頻率響應(yīng)的藥物釋放。

• 小結(jié)：

本研究開發(fā)的仿生人工纖毛陣列裝置，不僅能夠無需電力和算法直接解碼聲音頻率，還能在水中響應(yīng)聲刺激，加速流體流動(dòng)并控制藥物釋放。這一裝置在聲音控制的智能設(shè)備、個(gè)性化語音交互以及醫(yī)療健康等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，人工纖毛陣列有望進(jìn)一步優(yōu)化，以覆蓋更廣泛的頻率范圍，精確解碼更復(fù)雜的聲音信號(hào)，如語音特征，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化任務(wù)。此外，該裝置還可用于檢測(cè)和識(shí)別各種人體生理聲音，如呼吸模式、打鼾、心跳和腸道活動(dòng)等，為疾病監(jiān)測(cè)和治療提供新的手段。