一種用于耳部健康監(jiān)測(cè)和音頻交互的智能多功能石墨烯皮膚貼片

研究背景

長(zhǎng)期暴露于噪音環(huán)境或不當(dāng)使用耳機(jī)可能導(dǎo)致聽力損傷、耳道炎癥等健康問題。盡管現(xiàn)有可穿戴設(shè)備（如無線耳電傳感器）可監(jiān)測(cè)耳部生理信號(hào)，但大多僅停留在“發(fā)現(xiàn)問題”階段，缺乏“解決問題”的能力。例如，劣質(zhì)耳機(jī)需通過提高音量補(bǔ)償音質(zhì)缺陷，進(jìn)一步加劇聽力損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此，亟需一種集健康監(jiān)測(cè)與高品質(zhì)音頻交互于一體的創(chuàng)新方案，從源頭保護(hù)耳部健康。激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）因其優(yōu)異的電學(xué)與聲學(xué)性能，已被用于傳感器和熱聲器件，但現(xiàn)有研究多聚焦單一功能（如壓力傳感或聲學(xué)輸出），尚未實(shí)現(xiàn)多模態(tài)協(xié)同。此外，傳統(tǒng)熱聲器件存在低頻諧波失真嚴(yán)重、功耗高等問題，限制了其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。

創(chuàng)新點(diǎn)

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系孫富春教授課題組發(fā)表了用于多模態(tài)傳感與高品質(zhì)音頻交互的智能石墨烯耳健康監(jiān)測(cè)貼片（GSP）。第一作者為清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系博士研究生孫豪。本文主要提出了以下突破：1、多模態(tài)傳感集成：通過LIG的摩擦電、熱敏與熱聲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)耳道脈搏、溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與高保真音頻輸出，形成“監(jiān)測(cè)-預(yù)警-干預(yù)”閉環(huán)系統(tǒng)。2、脈沖密度調(diào)制技術(shù)（PDM）：將總諧波失真（THD）從97.6%降至2.98%，顯著提升低頻音質(zhì)，降低功耗50%以上。3、深度學(xué)習(xí)優(yōu)化：利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析音頻數(shù)據(jù)，識(shí)別準(zhǔn)確率從47.1%提升至98.2%，增強(qiáng)人機(jī)交互可靠性。

文章解析

圖1：GSP結(jié)構(gòu)與多功能設(shè)計(jì)。a-c：貼片由PI織物、Nomex織物與LIG構(gòu)成，貼合耳道實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)與音頻傳輸。LIG微孔結(jié)構(gòu)（SEM圖）與拉曼光譜證實(shí)其石墨烯特性。d-f：展示摩擦發(fā)電（TENG）、熱敏（TS）與熱聲（TA）效應(yīng)原理，分別對(duì)應(yīng)脈搏檢測(cè)、溫度傳感及聲波生成功能。

讀后感

作者推出了一種智能多模態(tài)石墨烯皮膚貼片，用于耳部健康監(jiān)測(cè)和聲學(xué)交互。優(yōu)勢(shì)與意義：GSP首次將監(jiān)測(cè)、預(yù)警與交互功能集成于微型貼片，通過材料創(chuàng)新與算法優(yōu)化，為耳部健康管理提供閉環(huán)解決方案。PDM技術(shù)突破低頻失真瓶頸，可穿戴聲學(xué)器件邁向高保真時(shí)代。未來方向：未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步驗(yàn)證長(zhǎng)期佩戴舒適性與生物相容性，集合大語言模型，并探索個(gè)性化健康數(shù)據(jù)分析模型。這項(xiàng)研究不僅為智能可穿戴設(shè)備樹立新標(biāo)桿，更為“主動(dòng)健康”理念提供了創(chuàng)新范式。

參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110790

An intelligent multifunction graphene skin patch for ear health monitoring and acoustic interaction

來源：WEST可穿戴電子