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MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋

MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋，这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音，MIT科学家造出纸一样薄的扬声器，可铺满全屋。

麻省理工学院的工程师们开发出了一种像纸一样薄的扬声器，可以将任何表面变成音源。

它的重量相当于一个 10 美分的硬币，无论粘在什么表面上都能生成高品质的声音。

这种薄膜扬声器产生的声音失真最小，而且使用的能量也比传统扬声器少得多。

为了实现这些特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只需要三个基本步骤。利用这种技术，他们可以制造出足够大的超薄扬声器，覆盖汽车内部或整个房间。

此外，这种薄膜扬声器可以通过产生振幅相同但相位相反的声音，在嘈杂的环境（如飞机驾驶舱）中进行主动降噪。这种灵活的设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园里提供三维音频。由于它重量轻，运行时需要的电量很少，因此非常适合电池寿命有限的智能设备应用。

这项研究成果近日发表在《IEEE Transactions of Industrial Electronics》期刊上。

论文链接：

「拿起一张看起来很薄的纸，用两个夹子夹住它，把它插到你电脑的耳机接口上，然后开始听到它发出的声音，这种感觉很棒。它可以在任何地方使用，只需要一点点电力就可以运行，」 的主任、论文作者 Vladimir Bulovi 表示。

这种薄膜扬声器是怎么做出来的？

耳机或音频系统中常见的典型扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场移动扬声器薄膜，带动薄膜上方的空气，从而产生我们听到的声音。相比之下，MIT 工程师设计的新扬声器简化了传统设计，使用了一种成型的压电材料薄膜。当电压施加在其上时，薄膜会移动，从而带动其上方的空气并产生声音。

大多数薄膜扬声器都被设计成独立式（不需依靠支撑物），因为薄膜必须自由弯曲才能发声。将这些扬声器安装在某个表面上会阻碍振动，并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这一问题，MIT 的团队重新思考了薄膜扬声器的设计。他们给出的方案是：不让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶振动发声，其中的每个小圆顶都是单独振动。

这些圆顶每个只有几根头发那么宽，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。在日常操作中，相同的间隔层保护圆顶免受磨损和冲击，提高了扬声器的耐用性。

为了制造扬声器，研究人员使用激光在 PET 薄片上切割出微小的孔，PET 是一种轻质塑料。他们在穿孔 PET 层的下面贴上一层非常薄（8 微米）的压电材料薄膜，称为 PVDF。然后他们把粘合的薄片上方抽成真空，并在薄片下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层很薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF 不能强行穿过 PET 层，所以在没有被 PET 阻挡的地方会有微小的圆顶突起。这些突起与 PET 层中的孔自对准。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一层 PET 层压在一起，作为圆顶和粘合表面之间的隔离物。

「这是一个非常简单明了的过程。如果我们将其与卷对卷制程工艺（roll-to-roll）相结合，我们就能量产这些扬声器，然后用类似贴墙纸的方式将其覆盖到墙壁、汽车或飞机内部。」论文一作 Jinchi Han 表示。

高品质、低功耗

薄膜扬声器中的小圆顶高 15 微米，大约是人类头发厚度的六分之一，它们振动时只能上下移动大约半微米。每个圆顶都是一个单独的发声单元，所以需要成千上万个这样的小圆顶一起振动才能产生听得见的声音。

制造过程简单的另一个好处是可调性强——研究人员可以改变 PET 上孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶能带动更多的空气振动，产生更大的声音，但较大的圆顶也有较低的共振频率，这会导致音频失真。

在完善了制造技术之后，研究人员测试了几种不同的圆顶尺寸和压电层厚度，以达到最佳组合。

他们将薄膜扬声器安装在距离麦克风 30 厘米的墙上，测试其声压水平（以分贝为单位）。当 25 伏特的电压以 1 千赫兹的频率通过该装置时，扬声器产生了 66 分贝的高质量声音。在 10 千赫时，声压级增加到 86 分贝，大约相当于城市交通的音量。

这种节能装置每平方米扬声器面积只需要大约 100 毫瓦的功率，相比之下，如果在类似距离内产生相近的声压，一个普通家用扬声器可能要消耗超过 1 瓦特的电力。

Han 解释说，因为是微型的拱顶在振动，而不是整个薄膜振动，扬声器有足够高的共振频率，可以有效地用于超声波应用，比如成像方面。超声成像使用极高频的声波产生图像，更高的频率能够产生更高分辨率的图像。

Bulovi表示，这种装置还可以利用超声波探测人类站在房间里的位置，就像蝙蝠会利用回声定位一样，然后跟随人类的移动形成声波。如果在薄膜的振动圆顶上覆盖一层反射表面，它们可以用来为未来显示技术的发光模式提供思路。如果被浸泡于液体中，振动膜可以提供一种搅拌化学品的新方法，使得化学处理技术能够比大批量处理方法使用更少的能源。

「我们有能力通过激活可伸缩的物理表面，精确地生成空气的机械运动。这种技术带给人的想象空间是无限的。」Bulovi说道。

近日，来麻省理工学院（MIT）的工程师们开发了一种新型超薄扬声器，这种灵活的薄膜设备，有可能将任何物体表面变成低功耗、高品质的音频源。

这种薄膜扬声器需要的能量仅为传统扬声器所需能量的一小部分，但却能够产生极小失真的高品质声音。根据研究团队的演示，手掌大小的扬声器，重量仅为一角硬币，而且无论该薄膜粘合到什么表面，都可以产生高质量的声音。

为了实现这些特性，研究人员还开创了一种看似简单的制造技术，并且可以按比例放大以生产大到足以覆盖汽车内部或房间墙纸的超薄扬声器。使用这种方式，薄膜扬声器可以在嘈杂的环境（例如飞机驾驶舱）中通过产生相同幅度但相反相位的声音，来提供主动降噪（即让两种声音相互抵消）功能。

此外，这种新型设备还可以用于沉浸式娱乐，比如在剧院或主题公园游乐设施中提供 3D 音频。而且由于它重量轻且运行所需的电量非常少，因此该设备非常适合电池寿命有限的智能设备上。

「看起来像一张薄薄的纸，在上面贴上两个夹子，将它插入电脑的耳机端口，然后开始听到它发出的声音，感觉很了不起。它可以在任何地方使用，只需要一个运行它的电力。」研究论文通讯作者、 主任、有机和纳米结构电子实验室（ONE Lab）的负责人 Vladimir Bolovi 说。

Bulovi 与论文第一作者、 ONE Lab 博士后 Jinchi Han，以及电气工程教授 Jeffrey Lang 共同撰写了这篇论文。该研究发表在IEEE Transactions of Industrial Electronics上。

全新的超薄扬声器

我们都知道，耳机或音响系统中的传统扬声器使用电流输入，当不断变化的电流输入通过能够产生磁场的线圈，并推送扬声器膜的振动，进而使其上方的空气振动，从而产生我们听到的声音。

相比之下，这款新的扬声器设备，通过使用一种压电材料（piezoelectric material）薄膜来简化扬声器设计，当电压施加在其上时，该薄膜会移动，从而使其上方的空气振动并产生声音。

由于薄膜扬声器设计为独立式，因此薄膜材料必须自由弯曲才能产生声音。但将这些扬声器安装在物体表面上会阻碍振动并妨碍它们产生声音的能力。

为了克服这个问题，麻省理工学院的团队重新考虑了薄膜扬声器的设计。他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠一层薄薄的压电材料上的微小圆顶，让每个圆顶都单独振动。

这些小圆顶，只有几根头发的宽度，被薄膜顶部和底部的间隔层包围，保护它们免受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。相同的间隔层可保护圆顶在日常操作过程中免受磨损和冲击，从而提高扬声器的耐用性。

制作过程看起来也十分简单。首先，研究人员使用激光在PET（这是一种轻质塑料）薄片上切割出小孔，穿孔的' PET 下侧层压了一层非常薄的压电材料（薄至 8 微米），称为 PVDF；然后他们在粘合的薄片上方施加真空，并在下方施加 80 摄氏度的热源。

由于 PVDF 层非常薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。但是 PVDF 无法强行穿过 PET 层，因此微小的圆顶会在未被 PET 阻挡的区域突出。而这些突起与 PET 层中的孔各自对齐。然后，研究人员将 PVDF 的另一面与另一个 PET 层层压在一起，作为小圆顶和粘合表面之间的隔离物。

「这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来将其与卷对卷（roll-to-roll）工艺集成，它将允许我们以高通量方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，就像墙纸可以覆盖墙壁、汽车或飞机内部。」Han 说。

高品质、低功耗，应用潜力无限

每个圆顶都是一个单独的发声单元，由于圆顶高 15 微米，约为人类头发厚度的六分之一，振动时仅能够上下移动约半微米，因此需要数千个这样的小圆顶一起振动才能产生可听的声音。

此外，该超薄发声设备的制造还有另一个好处，就是它的可调性，因为研究人员可以改变 PET 中孔的大小来控制圆顶的大小。半径较大的圆顶会推动更多的空气并产生更大的声音，但较大的圆顶也具有较低的谐振频率（resonance frequency）。谐振频率是设备运行效率最高的频率，较低的谐振频率会导致音频失真。

（来源：MIT）

经过多次的测试，研究人员找到不同的圆顶尺寸和压电层厚度的最佳组合。然后，他们通过将薄膜扬声器安装到距离麦克风 30 厘米的墙壁上来测试他们的薄膜扬声器。

当 25 伏特的电流以 1 千赫兹（每秒 1,000 次循环的速率）通过该设备时，扬声器会产生 66 分贝的会话级别的高质量声音。在 10 千赫兹时，声压级增加到 86 分贝，与城市交通的音量水平大致相同。

这种节能扬声器设备每平方米面积只需要大约 100 毫瓦的功率。相比之下，一个普通的家用扬声器可能会消耗超过 1 瓦的功率才能在相当的距离上产生相似的声压。

研究人员解释说，由于该设备只有微小的圆顶是振动的，而不是整个薄膜，扬声器具有足够高的谐振频率，因此还可以有效地用于超声应用，如超声成像。超声成像使用非常高频的声波来产生图像，而更高的频率能够产生更好的图像分辨率。

比如，该设备可以使用超声波检测人在房间中的站立位置，并跟踪位置，就像蝙蝠使用回声定位一样。如果薄膜的振动圆顶覆盖有反射表面，则它们可用于为未来的显像技术创建光图案。如果浸入液体中，振动膜还可以提供一种搅拌化学品的新方法，使化学处理技术比大批量处理方法使用更少的能量。

「我们有能力通过激活可扩展的物理表面，来精确地产生空气的机械运动。而如何使用这项技术的选择是无限的，」Bulovi 说。

据媒体近日报道，麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出了一种薄如纸张的扬声器，它可以将任何表面变成有源音源。

这种薄膜扬声器产生的声音失真很小，而使用的能量只是传统扬声器所需能量的一小部分。

该团队展示的手掌大小的扬声器，其重量约相当于一角硬币。无论将薄膜粘合在什么表面，都能产生高质量的声音。为了实现这些非凡的特性，研究人员开创了一种看似简单的制造技术，只涉及三个基本步骤制造超薄扬声，并且其面积可以大到足以覆盖汽车内部或在房间内贴壁纸。

薄膜扬声器可以在嘈杂的环境中，如飞机驾驶舱，通过产生相同振幅但相位相反的声音，从而提供主动噪音消除。这种灵活的设备也可用于沉浸式娱乐，也许可以在剧院或主题公园的游乐设施中提供三维音频。而且，由于它很轻，只需极小的功率来操作，该设备很适合应用于电池寿命有限的智能设备上。

据了解，在耳机或音频系统中，典型的扬声器使用电流输入，电流通过线圈产生磁场，磁场可移动扬声器膜，使其上方的空气移动，从而产生声音。相比之下，这种新型扬声器通过使用一种成型的压电薄膜材料，从而简化了扬声器的设计。当电压施加在薄膜上时，薄膜会移动，从而移动其上方的空气并产生声音。

具体而言，为了制造这种扬声器，研究人员使用激光在PET薄片上切出小孔，PET是一种轻型塑料。他们在穿孔的PET层的底部铺上一层非常薄的压电材料PVDF薄膜（只有8微米厚）。然后他们在粘合的薄片上方施加真空，在薄片下方施加80摄氏度的热源。

由于PVDF层太薄，真空和热源产生的压力差导致它膨胀。PVDF不能强行穿过PET层，所以在没有被PET阻挡的地方，微小的圆顶突起。这些突起可以自对准PET层中的孔。然后，研究人员在PVDF的另一侧铺上另一层PET层，作为圆顶和结合表面之间的间隔层。

他们的设计不是让整个材料振动，而是依靠压电材料薄层上的微小圆顶，每个圆顶单独振动。这些圆顶，每个都只有几根头发的宽度，在薄膜的顶部和底部被间隔层所包围，保护它们不受安装表面的影响，同时仍然使它们能够自由振动。同样的间隔层保护穹顶在日常操作中免受磨损和冲击，增强了扬声器的耐用性。

研究人员说，“这是一个非常简单、直接的过程。如果我们将来能把它与卷对卷加工工艺结合起来，我们就能以高通量的方式生产这些扬声器。这意味着它可以大量制造，像墙纸一样覆盖墙壁、汽车或飞机内部。”

一.实验步骤1. 组织块称重2. 利用液氮、研钵粉碎组织块3. 加入RIPA缓冲液（每克组织3 ml RIPA），PMSF（每克组织30μl，10 mg/ml PMSF），利用Polytron进一步匀浆（15,000转/分*1分钟）维持4℃4. 加入PMSF（每克组织30μl，10 mg/ml PMSF），冰上孵育30分钟5. 移入离心管4℃ 约20,000 g（约15,000转）15分钟6. 上清液为细胞裂解液可分装-20℃保存7. 进行Bradford比色法测定蛋白质浓度8. 取相同质量的细胞裂解液（体积*蛋白质浓度），并加等体积的2×电泳加样缓冲液9. 沸水浴中3分钟10. 上样11. 电泳（浓缩胶20mA，分离胶35mA）12. 电转膜仪转膜（100mA 40分钟）13. 膜用丽春红染色，胶用考马斯亮蓝染色14. Westernblot 试剂盒显色15. 分析比较记录western blot的实验步骤及注意事项的资料1. 把聚丙烯酰胺凝胶中的蛋白质电泳转移到硝酸纤维膜上。1）转移缓冲液洗涤凝胶和硝酸纤维素膜，将硝酸纤维素膜铺在凝胶上，用5ml移液管在凝胶上来回滚动去除所有的气泡。2）在凝胶/滤膜外再包一张3mm滤纸（预先用转移缓冲液浸湿），将凝胶夹在中间，保持湿润和没有气泡。3）将此滤纸/凝胶/薄膜滤纸按照厂家建议方法放入电泳装置中，凝胶面向阴极。4）将上述装置放入缓冲液槽中，并灌满转移缓冲液以淹没凝胶。5）按照厂家所示接通电源开始电泳转移。6）转移结束后，取出薄膜和凝胶，弃去凝胶。2. 将薄膜漂在氨基黑中快速染色，直至分子量标准显现时取出，记录下标准位置。3. 用100ml水洗涤纤维素膜，必要时可用脱色缓冲液。4. 膜置印迹缓冲液中于37℃保温1小时。5. 室温下，用PBS-Tween缓冲液洗涤薄膜。6. 用封口机将薄膜封入塑料袋中，尽可能不留空气。7．袋的一角剪一缓冲液的小口，用透析袋夹紧。8．混合：NGS(100微升)，印迹缓冲液中的抗体（10毫升），加在装薄膜的袋中，于室温下摇动2小时（或4℃过夜）9．用总体积300ml PBS-Tween缓冲液，分4次在一浅盘中洗涤薄膜，每次75ml。10. 将连接生物素的羊抗兔IgG（40微升溶于10毫升印迹缓冲液/100微升 NGS）加在袋内，于室温下摇动1小时。11．按步骤9洗涤。12．加入抗生素蛋白-HRP（40微升溶于10毫升印迹缓冲液/100微升 NGS），于室温下摇动。注意事项：western blot中转移在膜上的蛋白处于变性状态，空间结构改变，因此那些识别空间表位的抗体不能用于western blot检测。这种情况可以将表达目的蛋白的细胞或细胞裂解液中的所有蛋白先生物素化，再用酶标记亲和素进行western blot。实验中取胶和膜需带手套。Western可以参考如下步骤进行操作。1.收集蛋白样品(Protein sample preparation)可以使用适当的裂解液，例如碧云天生产的Western及IP细胞裂解液，裂解贴壁细胞、悬浮细胞或组织样品。对于某些特定的亚细胞组份蛋白，例如细胞核蛋白、细胞浆蛋白、线粒体蛋白等，可以参考相关文献提取这些亚细胞组份蛋白，也可以使用试剂盒进行抽提，例如碧云天生产的细胞核蛋白与细胞浆蛋白抽提试剂盒。收集完蛋白样品后，为确保每个蛋白样品的上样量一致，需要测定每个蛋白样品的蛋白浓度。根据所使用的裂解液的不同，需要采用适当的蛋白浓度测定方法。因为不同的蛋白浓度测定方法对于一些去垢剂和还原剂等的兼容性差别很大。如果使用碧云天生产的Western及IP细胞裂解液，可以使用BCA蛋白浓度测定试剂盒。2. 电泳(Electrophoresis)(1) SDS-PAGE凝胶配制SDS-PAGE凝胶可以参考一些文献资料进行配制，也可以使用碧云天生产的SDS-PAGE凝胶配制试剂盒。该试剂盒提供了除水和配胶器具外的所有试剂以及配制各种浓度SDS-PAGE的配方。(2) 样品处理在收集的蛋白样品中加入适量浓缩的SDS-PAGE蛋白上样缓冲液。例如2X或5X的SDS-PAGE蛋白上样缓冲液。使用5X的SDS-PAGE蛋白上样缓冲液可以减小上样体积，在相同体积的上样孔内可以上样更多的蛋白样品。5X的SDS-PAGE蛋白上样缓冲液可以参考相关文献资料配制，也可以使用碧云天生产的SDS-PAGE蛋白上样缓冲液(5X)。100℃或沸水浴加热3-5分钟，以充分变性蛋白.(3) 上样与电泳冷却到室温后，把蛋白样品直接上样到SDS-PAGE胶加样孔内即可。为了便于观察电泳效果和转膜效果，以及判断蛋白分子量大小，最好使用预染蛋白质分子量标准。电泳时通常推荐在上层胶时使用低电压恒压电泳，而在溴酚蓝进入下层胶时使用高电压恒压电泳。对于Bio-Rad的标准电泳装置或类似电泳装置，低电压可以设置在80-100V，高电压可以设置在120V左右。SDS-PAGE可以采用普通的电泳仪就可以满足要求，也可以采用碧云天的多功能电泳仪(带定时)。为了电泳方便起见，也可以采用整个SDS-PAGE过程恒压的方式，通常把电压设置在100V，然后设定定时时间为90－120分钟。设置定时可以避免经常发生的电泳过头。通常电泳时溴酚蓝到达胶的底端处附近即可停止电泳，或者可以根据预染蛋白质分子量标准的电泳情况，预计目的蛋白已经被适当分离后即可停止电泳。3. 转膜(Transfer)我们推荐在Western实验中选用PVDF膜。硝酸纤维素膜(NC膜)也可以使用，但硝酸纤维素膜比较脆，在操作过程中特别是用镊子夹取等过程中容易裂开。膜的使用请参考生产商的推荐使用步骤。通常如果使用Bio-Rad的标准湿式转膜装置，可以设定转膜电流为300-400mA，转膜时间为30-60分钟。也可以在15-20mA转膜过夜。转膜时也可以使用碧云天的多功能电泳仪(带定时)。具体的转膜时间要根据目的蛋白的大小而定，目的蛋白的分子量越大，需要的转膜时间越长，目的蛋白的分子量越小，需要的转膜时间越短。在转膜过程中，特别是高电流快速转膜时，通常会有非常严重的发热现象，最好把转膜槽放置在冰浴中进行转膜。转膜的效果可以观察所使用的预染蛋白质分子量标准，通常分子量最大的1-2条带较难全部转到膜上。转膜的效果也可以用丽春红染色液对膜进行染色，以观察实际的转膜效果。也可以用考马斯亮蓝快速染色液对完成转膜的SDS-PAGE胶进行染色，以观察蛋白的残留情况。4. 封闭(Blocking)转膜完毕后，立即把蛋白膜放置到预先准备好的Western洗涤液中，漂洗1-2分钟，以洗去膜上的转膜液。从转膜完毕后所有的步骤，一定要注意膜的保湿，避免膜的干燥，否则极易产生较高的背景。用微型台式真空泵吸尽洗涤液，加入Western封闭液，在摇床上缓慢摇动,室温封闭60分钟。对于一些背景较高的抗体，可以在4℃ 封闭过夜。在整个Western过程中我们推荐使用碧云天生产的侧摆摇床，侧向摆动速度比较缓慢，而且也容易让溶液覆盖蛋白膜。5. 一抗孵育(Primary antibody incubation)参考一抗的说明书，按照适当比例用Western一抗稀释液稀释一抗。用微型台式真空泵吸尽封闭液，立即加入稀释好的一抗，室温或4℃在侧摆摇床上缓慢摇动孵育一小时。如果一抗孵育一小时效果不佳，可以在4℃缓慢摇动孵育过夜。回收一抗。加入Western洗涤液，在侧摆摇床上缓慢摇动洗涤5-10分钟。吸尽洗涤液后，再加入洗涤液，洗涤5-10分钟。共洗涤3次。如果结果背景较高可以适当延长洗涤时间并增加洗涤次数。6. 二抗孵育(Secondary antibody inucubation)参考二抗的说明书，按照适当比例用Western二抗稀释液稀释辣根过氧化物酶(HRP)标记的二抗。用微型台式真空泵吸尽洗涤液，立即加入稀释好的二抗，室温或4℃在侧摆摇床上缓慢摇动孵育一小时。回收二抗。加入Western洗涤液，在侧摆摇床上缓慢摇动洗涤5-10分钟。吸尽洗涤液后，再加入洗涤液，洗涤5-10分钟。共洗涤3次。如果结果背景较高可以适当延长洗涤时间并增加洗涤次数。7. 蛋白检测(Detection of proteins)参考相关说明书，使用BeyoECL, Western 荧光检测试剂等ECL类试剂来检测蛋白。洗片时可以使用X光片自动洗片机。如果没有自动洗片机，可以用显影定影试剂盒自行配制显影液和定影液进行手工洗片。8. 膜的重复利用(Membrane recovery)如果蛋白样品非常宝贵，可以使用Western一抗二抗去除液处理蛋白膜，以重复利用蛋白膜。