人工智能增强纳米纤维声能采集器

Terasaki生物医学创新研究所（TIBI）的科学家利用人工智能技术改进了可穿戴纳米纤维声能采集器（NAEH）中使用的纳米纤维的设计和生产。这些声学设备从环境中捕获声能并将其转换为电能，然后将其应用于有用的设备，如助听器

这项研究发表在《纳米研究》杂志上

我们已经做出了许多努力来从周围环境中获取自然存在的丰富能源。太阳能电池板和风力涡轮机等相对较新的进展使我们能够有效地从太阳和风能中获取能量，将其转化为电能，并将其储存用于各种应用。类似地，声能的转换可以在麦克风等放大设备以及用于个性化医疗保健的可穿戴、灵活的电子设备中看到

目前，人们对使用压电纳米发电机非常感兴趣；将机械振动、应力或应变转换为电力的设备&mdash；作为声能采集器。这些纳米发电机可以将声波中的机械能转化为电能；然而，声波的这种转换是低效的，因为它主要发生在高频声音范围内，而大多数环境声波都在低频范围内。此外，选择最佳材料、结构设计和制造参数使压电纳米发电机的生产具有挑战性

如他们的论文所述，TIBI科学家应对这些挑战的方法有两个方面：首先，他们战略性地选择了材料，并选择使用聚氟乙烯（PVDF）制造纳米纤维，聚氟乙烯以其高效捕获声能的能力而闻名。当制备纳米纤维混合物时，将聚氨酯（PU）添加到PVDF溶液中以赋予柔性，并使用静电纺丝（一种产生超薄纤维的技术）来制备复合PVDF/PU纳米纤维

其次，该团队应用人工智能（AI）技术来确定静电纺丝PVDF/聚氨酯纳米纤维的最佳制造参数；这些参数包括施加电压、静电纺丝时间和滚筒转速。利用这些技术，该团队可以调整参数值，以获得PVDF/PU纳米纤维的最大发电量

为了制造他们的纳米声学能量采集器，TIBI的科学家将他们的PVDF/PU纳米纤维制成纳米纤维垫，并将其夹在起电极作用的铝网层之间。然后，整个组件被两个柔性框架包裹起来

在针对传统制造的NAEHs的测试中，发现人工智能产生的PVDF/PU NAEHs具有更好的整体性能，产生的功率密度水平高出2.5倍以上，能量转换效率显著更高（66%对42%）

此外，人工智能生成的PVDF/PU NAEHs在用大范围的低频声音进行测试时能够获得这些结果&mdash；完全在环境背景噪声中发现的水平内。这允许极好的声音识别和以高分辨率区分单词的能力

TIBI董事兼首席执行官Ali Khademhosseini博士表示：“使用人工智能优化的模型，如本文所述，可以最大限度地减少试错时间，最大限度地提高成品的有效性。”。“这可能对医疗器械的制造产生深远影响，并具有显著的实用性。”

该研究的作者包括Negar Hosseinzadeh Kouchehbaghi、Maryam Yousefzadeh、Aliakbar Gharehaghaji、Safoora Khosravi、Danial Khorsandi、Reihaneh Haghnaz、Ke Cao、Mehmet R.Dokmeci、Mohammad Rostami、Ali Khademhosseini和Yangzhi Zhu