从青蛙鸣囊到智能听诊：飞纳扫描电镜揭示石墨烯声学器件的微观结构

2026-07-11
来源：复纳科学仪器（上海）有限公司 400-810-0069转6178

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随着柔性电子、可穿戴设备与智能医疗技术快速发展，兼具声音输出与声音感知能力的柔性声学器件，正在成为新型人机交互和生物医学传感领域的重要研究方向。

石墨烯凭借优异的导热性、较大的比表面积、良好的电导率和机械柔性，在热声器件领域展现出独特优势。然而，现有石墨烯热声器件在约 1 kHz低频范围内的声压级仍然有限，而这一频段恰恰覆盖人声、心音和肺音等重要声学信号。同时，多数柔性声学系统仍将声音发射与感知功能分开，工作频段相对固定，难以根据目标信号进行动态调节。

如何让柔性声学器件根据目标频率进行选择性增强？

研究人员将目光投向了自然界——青蛙的鸣囊。

近日，中山大学等单位研究团队在 Science Advances 发表题为 Frog vocal sacs-inspired soft acoustic system with continuously tunable resonance for sound emission and stethoscopic sensing 的研究论文，受青蛙充气鸣囊的天然共振机制启发，开发了一种可调谐共振石墨烯声学器件 RAGSD，实现声音发射、声音感知以及智能心音识别。

原文链接：

DOI: 10.1126/sciadv.adz5930

使用飞纳电镜型号：Phenom XL 大仓室自动化扫描电镜

从青蛙鸣囊获得灵感，打造可调谐智能声学器件

雄性青蛙在鸣叫时，通过充气鸣囊形成天然声学共振结构。当声音频率与鸣囊的固有频率匹配，共振效应能够对特定频率的声音进行增强。

受这一机制启发，研究团队将激光诱导石墨烯（LIG）与可变形 Ecoflex 柔性腔体结合。气体注入器件后，上层柔性膜向外膨胀，形成类似鸣囊的半球形结构。通过改变内部气体体积，可以动态调节腔体结构及共振频率。

实验结果显示，RAGSD 实现了 922.12 Hz 至1762.90 Hz 的连续共振调节，调谐范围达到 91.18%。同时，利用 LIG 的热声效应和压阻效应，同一个器件兼具发声与声音感知两种功能。

1器件设计示意图

声学性能从哪里来？扫描电镜验证激光诱导石墨烯微观结构

在 RAGSD 中，激光诱导石墨烯是实现声学发射与信号感知的核心功能材料。

LIG 的孔隙结构、网络形貌以及材料—空气界面，都会影响热交换效率，进而影响器件的热声性能。因此，在声学测试之前，研究团队首先需要确认：激光加工后是否真正形成了适合热声转换的多孔石墨烯网络？

研究人员采用 Phenom XL 大仓室自动化扫描电镜对 LIG 进行微观形貌表征。

SEM 图像显示，LIG 呈现出明显的多孔、泡沫状三维网络结构。论文指出，这种结构主要来源于激光加工过程中气态副产物的快速释放，大量孔隙的形成显著增加了石墨烯的比表面积，从而提高声波与材料界面的相互作用效率，为器件声学性能提升提供重要的微观结构基础。

2SEM 图像

多种材料分析共同验证高质量石墨烯形成

在完成 SEM 形貌观察后，研究人员进一步结合 Raman 和 XPS 分析，对材料组成进行了系统验证。

Raman 光谱显示材料具有典型的 D 峰、G 峰和 G′ 峰；XPS 结果进一步证明材料主要由 sp? 碳组成，同时保留少量氧、氮元素掺杂，说明激光加工成功将聚酰亚胺（PI）转化为具有良好导电性能的多孔石墨烯网络。扫描电镜提供的微观形貌，与光谱分析结果相互印证，共同证明了 LIG 材料已经具备优异的热声应用基础。

优异微结构带来连续可调的声学性能

依托扫描电镜确认的多孔石墨烯结构，RAGSD 展现出优异的声学性能。

实验结果表明，通过改变柔性腔体充气体积，可实现近两倍范围的连续共振调节；在共振条件下，声压级（SPL）提升 21.70 dB，最高可达到 59.73 dB，明显优于此前报道的多种石墨烯热声器件。同时，该器件经过长时间连续测试及多次充放气循环后仍保持稳定工作，表现出优异的可靠性。

从声音发射到智能听诊，一个器件实现双重功能

除了声音发射，研究人员还利用石墨烯压阻效应，使 RAGSD 具备高灵敏声音传感能力。

传统电子听诊器通常针对固定频段进行设计，而 RAGSD 能够通过调节腔体体积，实现不同频率心音的选择性放大，对室间隔缺损（VSD）、主动脉返流等疾病产生的高频杂音具有更高检测灵敏度。研究团队进一步结合深度学习算法 AuscNet-H，实现了 99.375% 的心音分类准确率，展示了智能医疗应用潜力。