语音小管家来自大连理工大学等机构的研究团队近日在Advanced Electronic Materials期刊上发表了一项研究，该团队通过电喷雾和3D微直接墨水书写等增材微制造技术，制备出一种可检测声波振幅与方向的仿生纤毛传感器，成功实现了360°方向敏感的声学传感。
图1：人工纤毛设计图。该图展示了人工纤毛的工作原理。声波从不同角度触发纤毛摆动后，压电材料（PZT）发生形变，通过模拟和示意图呈现了不同角度下电极的电势分布与电荷产生规律，揭示了方向敏感的电压输出机制。
传统的声波传播方向感知方法，通常是通过检测多个传感器信号之间的振幅和时间差异来实现，但这种多传感器设计在小型化方面存在局限，且不同传感器之间易产生信号串扰等干扰，导致信号解耦困难。现有微型共振传感器大多受平面结构限制，检测角度仅能覆盖 0°-180°，无法满足全向探测需求。
研究团队从自然界“纤毛”的生物特性中获得灵感（自然界的纤毛是 “一端固定的微小杆状结构，在受到外力作用时极易偏转，具有高灵敏度和强方向依赖性”，这一特性使其成为矢量传感的理想模型），设计了一种具有正交电极的新型人工纤毛传感器。
研究采用电喷雾和 3D 微直接墨水书写等增材制造技术，构建出具有核壳结构的人工纤毛。团队将压电锆钛酸铅（PZT）薄膜通过电喷雾沉积在钨丝表面形成敏感核心，再通过直接书写技术打印出正交分布的电极与互连桥，形成可输出双通道信号的微型传感单元。当声波触发纤毛摆动时，压电材料因形变产生电压变化，通过两个电极的信号差异即可实现方向感知。
图2：人工纤毛制备流程图。该图展示了人工纤毛的增材制造流程，包括电喷雾制备 PZT 核壳结构、3D 微直接墨水书写打印正交电极及互连桥的关键步骤，验证了高长径比（173.9）、高精度（电极宽度≈50μm）结构的可制造性。
研究团队开展了系列实验，验证传感器的性能：通过激光多普勒测速仪测试共振特性，发现纤毛在共振频率下响应增强 35.9 倍，且共振频率随长度增加而降低，可通过调整尺寸灵活调控；在消声室中改变声源角度进行测试，结果显示两个电极的输出电压随角度变化形成 “8” 字形环路，振幅比和相位差具有显著方向依赖性，可区分 0°-360° 范围内的声源方向；多声源测试中，通过快速傅里叶变换能有效分离不同频率、振幅的声波信号，实现多声源定向检测。
图3：人工纤毛共振频率测试图。结果显示共振可使电压输出放大 35.9 倍，且共振频率随长度增加而降低；由于两个电极的轴向间距（≈0.5 mm），单根纤毛出现两个可区分的共振峰，为多频率传感奠定基础。
图4：人工纤毛方向敏感声学传感测试图。该图展示了定向传感性能。振幅和电压输出随角度变化形成 “8” 字形环路，体现方向依赖性（如 103 Hz 时 E-1 在 135°–150° 输出最大）；相位差随角度规律性变化，证实传感器可通过幅值比和相位差实现 360° 全向定位。
图5：多方向声波耦合实验图。该图验证了多声源识别能力。FFT 可分离不同频率信号，相同频率下通过电压比（如 90°–180° 耦合时 E-1/E-2=24.2）和相位差（如 180°–270° 耦合时相位差 192.8°）区分声源方向，证明单纤毛可实现多声源定向检测。
研究最终证实，这种人工纤毛传感器仅通过单根结构与两个电极，即可实现声波振幅和方向的同步感知，检测范围覆盖 x-y 平面 360°，且具备良好的灵敏度（最高达 68.3 mV/Pa）。
论文信息：Li Y K, Wang D Z, Feng Y W, et al. Artificial Cilia for 360° Direction-Sensitive Acoustic Sensing Through Additive Micromanufacturing[J]. Advanced Electronic Materials, 2025, e00192. DOI: 10.1002/aelm.202500192.
