本文介绍一项发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊2024年第16卷69973-69983页的研究工作。该研究由复旦大学高分子科学系、先进材料实验室（陈新*、邵正中、姚金荣、陈巧林）和上海科技大学物质科学与技术学院（凌盛杰*、杨硕、彭若璇、高文丽、曹磊涛）以及五邑大学纺织科学与工程学院的科研人员合作完成。

一、 学术背景

本研究属于柔性电子、仿生传感与智能材料交叉领域。海洋生物（如鱼类）能够高效整合光、声、压力等多种感知模式，用于通讯、捕食和避敌等复杂行为。例如，生物发光用于信号传递，声音用于长距离通讯，侧线系统用于感知水流和压力变化。这些多模态感知能力通过生物神经网络无缝集成，实现了快速、协调的响应。然而，当前受此启发的仿生设备通常将发光、发声和压力传感功能模块分离，导致系统设计复杂、适应性降低，难以模拟自然界中高效的多模态协同。

因此，开发一种能够将多种传感功能集成于单一结构中的柔性器件，对于推动仿生系统在环境监测、海洋探索和水下通信导航等复杂环境中的应用具有重要意义。尽管已有研究在柔性发光材料、压力可视化传感器和可拉伸触觉传感器等方面取得了进展，但实现光、声、压力响应的同步协调仍是一个挑战。本研究旨在解决这一挑战，通过材料与结构设计，制造一种集电致发光、压电振动和压力传感于一体的多功能柔性光声器件，并探索其在仿生机器人运动追踪等领域的应用。

二、 详细工作流程

本研究的工作流程主要分为器件设计与制备、性能表征与评估、以及仿生应用验证三个核心部分。

第一部分：MF-PAD器件的设计与制备 研究团队设计并制造了一种具有三明治结构的多功能柔性光声器件。顶层和底层是丝素蛋白离子导体电极层，中间是发光层。电极层由丝素蛋白和氯化锂构成，不仅作为电极，还提供类似生物皮肤的机械支撑，赋予器件优异的柔韧性和变形能力。发光层则是由PVDF-HFP聚合物、BaTiO3介电颗粒和ZnS:Cu发光颗粒组成的三元复合纤维网络。其中，PVDF-HFP提供压电性能，BaTiO3的高介电常数可增强聚合物基体的介电性能，从而将电场集中到ZnS:Cu颗粒上以提高发光强度；ZnS:Cu颗粒则是电致发光的核心。

器件的制备采用了气流辅助静电纺丝技术。对于丝素蛋白离子导体层，由于丝素蛋白溶液离子浓度高、导电性强，传统静电纺丝难以成纤，因此采用气流辅助来有效拉伸溶液形成纤维网络。对于发光层，则关闭气流辅助，仅靠高压静电驱动，形成直径在数百纳米的纤维，以获得更开放的网络结构，利于空气间隙的存在。通过逐层沉积的方式，高效地组装了MF-PAD。这种制造方法效率高，例如制备一个80×80毫米的器件仅需约4小时，而传统浇铸法则需要至少2天。扫描电子显微镜图像显示，各层均呈现均匀、多孔的纤维网络结构，且ZnS颗粒在PVDF-HFP网络中分散均匀，无宏观团聚，保证了性能稳定。

第二部分：器件性能表征与评估 性能评估围绕力-光交互、声-光交互以及长期稳定性展开。

1. 力-光交互评估： 器件发光的原理基于其电容式串联结构。当施加交流电时，电压主要降在中间的发光层上。施加压力会压缩纤维网络，减少层间空气间隙，从而提高发光层的有效介电常数，并降低电荷注入电阻。当压力达到阈值（约1.5 N，对应压强约30 kPa）时，作用在ZnS颗粒上的电场强度超过其电致发光阈值，器件开始发光，且发光强度随压力增大而增强。实验通过放置不同形状（实心粗糙表面和空心光滑表面）的积木块，证明了器件能将压力分布可视化。弯曲测试表明，当弯曲角度超过60度时，器件整个表面能发出均匀的蓝光。定量测试显示，发光强度随压力呈S型增长曲线，在170 kPa时达到饱和。电容变化（C/C0值）在阈值压力下为1.4，并在更高压力下保持稳定。疲劳测试表明，经过1200次按压和弯曲循环后，器件的发光强度和电容信号仍保持稳定，证明其具有良好的机械耐久性。

2. 声-光交互评估： 器件的发声功能依赖于PVDF-HFP纤维网络的压电效应。施加交流电时，逆压电效应导致发光层变形振动，其内部的空气间隙随之同步振动，从而产生声波，使器件成为一个扬声器。声压级测试表明，声压级随输入电压升高而增大（75V时44 dB，500V时85 dB），并随输入频率变化，在2500 Hz附近出现峰值（73.4 dB），这归因于材料层的共振频率。通过信号发生器和放大器输入特定频率的电压，器件能精确发出对应音高的声音。同时，在器件弯曲60度并施加不同频率（对应音符C4到B7）的电压时，发光颜色会从蓝绿色发生蓝移，其CIE坐标从(0.240038, 0.376342)变化到(0.21965, 0.307688)。这是由于不同频率下，ZnS:Cu中两种铜陷阱态（分别对应绿色和蓝色发射）的激发占比不同所致。更重要的是，器件的发光节奏与音频信号完全同步，实现了光与声的协调输出。

第三部分：仿生应用验证 研究将多个MF-PAD器件粘贴在机器鱼的头部、鳍、身体和尾部等关键位置，模拟海洋生物的生物发光和生物声学功能。首先，通过微控制器将《欢乐颂》乐谱转换为相应的输入电压频率，驱动器件成功播放了音乐，证明了其在动态机械形变下仍能保持准确的声学输出。其次，通过监测不同位置器件因压力不同而产生的发光亮度差异，实现了在低光环境下的光学伪装效果。

更重要的是，研究利用器件发光实现了对机器鱼的运动和姿态追踪。开发了一套基于图像识别的算法：从视频中提取蓝色通道，进行阈值处理和二值化，得到发光点的掩模，进而通过分析光斑中心之间的距离来确定关键点（如头、尾、背、左右鳍），从而识别机器鱼的姿态。通过追踪这些关键点的位置变化，可以监测其游泳轨迹。研究还将五个关键点的位置参数化为5个相对距离特征和3个角度特征，并分析了其在40秒运动过程中的变化规律，发现某些参数之间存在关联性。

为了处理在能见度低或遮挡情况下部分光点不可见的问题，研究进一步采用了深度学习模型。利用清晰视频数据训练了一个深度神经网络，学习关键点运动中的隐含关联。当输入图像中仅有部分光点可见时，算法先识别出可见点，将其参数化特征输入预训练模型，即可推断出缺失关键点的位置，从而重建完整姿态。在三个测试案例中，即使输入图像对比度低且右鳍光点几乎不可辨，模型仍能准确识别关键点，预测误差较小（角度正切值平均绝对误差0.28，像素长度平均绝对误差4.13），展现了该算法在复杂条件下进行运动学特征研究的潜力。

三、 主要研究结果

1. 成功制备了集成化MF-PAD器件： 通过气流辅助静电纺丝技术，成功制备出具有仿生皮肤机械性能的三明治结构柔性器件，将电致发光、压电发声和压力传感功能集成于一体。
2. 实现了高灵敏的压力可视化传感： 器件对压力变化高度敏感（阈值约1.5 N），并能通过发光强度的变化直观显示压力分布，在反复机械循环下性能稳定。
3. 实现了可调谐的声光同步输出： 器件能作为扬声器发声，其声压级和音高可通过输入电压和频率调制，且发光颜色与声音频率相关联，实现了光与声的同步协调响应。
4. 验证了在仿生机器人中的多模态应用： 器件可附着于机器鱼体表，实现音乐播放、压力分布光学指示。更重要的是，基于其发光特性，结合图像识别和深度学习算法，实现了对机器鱼实时姿态追踪和运动轨迹预测，即使在部分信息缺失的情况下也能有效重构姿态。

这些结果层层递进：器件的成功制备和基础性能（力-光、声-光）表征为其应用奠定了基础；在机器鱼上的演示验证了其多模态感知的实用性；而结合AI算法的姿态追踪与预测，则展示了该器件在提升仿生系统智能水平方面的巨大潜力，最终支撑了研究结论。

四、 研究结论与价值

本研究成功设计并制造了一种多功能柔性光声器件，它在一个单一结构中集成了电致发光、压电振动和压力传感功能。该器件能同步响应光、声和压力刺激，对压力变化高度敏感，并能通过发光进行可视化，同时能高效发声且声光可协调调制。通过将其应用于机器鱼，并结合图像识别与深度学习算法，实现了实时姿态追踪和运动轨迹预测。

这项研究的科学价值在于提出并实现了一种新颖的多模态传感集成策略，模仿了生物系统协同感知的范式，而非简单复制其化学组成或结构。其应用价值在于为环境监测、水下通信和导航系统提供了可扩展的解决方案。器件制备方法高效，性能稳定，易于与机械系统集成，为开发未来多功能柔性仿生电子设备提供了新视角。

五、 研究亮点

1. 高度集成的创新设计： 首次将电致发光、压电发声和压力传感三种功能无缝集成于一个柔性三明治结构中，突破了传统仿生设备多模块分离的局限。
2. 仿生皮肤般的机械性能： 采用丝素蛋白离子导体和纤维网络结构，使器件具备优异的柔韧性、可变形性和耐久性，适合贴附于各种动态曲面。
3. 声-光-力多模态协同响应： 不仅实现了各单项功能，更关键的是实现了声与光输出的同步协调，以及压力对发光的触发调制，真正模拟了生物的多模态感知融合。
4. 与人工智能深度融合的应用演示： 超越简单的功能展示，将器件的发光特性与图像识别、深度学习算法结合，实现了对仿生机器人复杂运动姿态的智能追踪与预测，展现了“器件+AI”在提升系统智能方面的强大能力。
5. 可扩展的制造工艺： 采用全静电纺丝技术进行层状制备，方法相对简便，有利于大规模生产和定制化设计。

六、 其他有价值的内容

研究中关于发光颜色随激发频率蓝移的机理解释，深入到了ZnS:Cu材料的陷阱态能级物理，体现了工作的基础研究深度。此外，支撑信息中提供了器件各组成部分的照片、应力-应变曲线、BaTiO3添加对发光的影响、不同电压下的发射光谱、CIE坐标变化、机器鱼不同姿态下的发光状态图片以及运动特征参数间的相关性分析等丰富数据，全面支撑了文中的结论。两个补充视频（MF-PAD同步发光播放音乐、特定频率下的声光状态）直观地展示了器件的核心功能。