在智能声学感知与人机交互前沿领域，基于压电聚合物体系的声学电子器件凭借其本征宽频响应特性，展现出巨大的应用前景。然而，现有传统压电声学传感器仍面临单向响应受限、信噪比不足及灵敏度偏低三大共性瓶颈；与此同时，当前主流研究多局限于二维平面声纹识别，忽视了机器人拟人智能所亟需的三维空间声源定位能力。尽管商用麦克风阵列与光学定位设备可提供相应功能，但其刚性结构显著、成本高昂、功耗大且体积笨重，严重制约了柔性仿生听觉系统与软体生物电子器件的实用化进程。此外，传统静电纺丝压电纤维的优化策略多单一聚焦于提升压电相含量，缺乏对材料结晶动力学行为与声波能量吸收耦合机制的协同调控，导致器件难以在高灵敏度、高信噪比与高精度分辨率之间实现性能均衡。

针对上述核心难题，西南交通大学杨维清教授团队开发可调控中空结构协同调控技术，通过同轴静电纺丝制备PVDF基中空压电纳米纤维，同步优化聚合物本征结晶特性与薄膜吸声效率，构筑高性能中空纳米纤维声学传感器（HAS）；进一步将传感单元集成正十二面体球形三维结构（S-HAS），实现全向、高精度三维声音识别与空间定位。中空结构可激发纤维产生较大振动形变，提升声-电耦合转换效率；通过调控内层PVP芯层浓度精准控制中空纤维内径，平衡内外结晶成核位点，实现PVDF高β相结晶度与高的外界能量吸收，其灵敏度达418 mV/Pa，相较主流报道传感器提升209%，信噪比提升365%，频率分辨率可达0.1 Hz，综合性能全面超越现有同类型器件与商用压电薄膜。

同时，基于球形三维集成结构S-HAS可突破传统平面器件单向拾音局限，实现空间360°全向声波捕获，角度分辨率低至10°，可区分三维空间不同方位、不同距离、不同人声特征的声源；结合一维卷积神经网络（1D-CNN）深度学习算法完成人声分类识别，识别准确率高达98.83%，远高于商用压电膜 93.89%的识别精度，成功应用于智能语音会议、人形机器人环境感知、柔性可穿戴仿生听觉等场景。本工作提出的中空纤维协同调控策略，有望为高性能压电声学传感、软体生物电子、拟人机器人听觉系统开辟新技术路径。

相关研究成果以“Hollow-structured piezoelectric acoustic electronics for omnidirectional 3D sound capture”为题在线发表于Nano Energy，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112122，西南交通大学材料学院博士研究生兰浡玲为论文第一作者，邓维礼副教授、杨维清教授为共同通讯作者。

图1. 中空纳米纤维声学传感整体设计思路：(a)同轴静电纺丝制备中空纳米纤维示意图；(b)中空纤维膜仿生耳蜗结构，面向声学监测、声音识别、三维动态声源定位应用场景；(c)实心/中空纳米纤维同轴纺丝制备流程对比；(d)制备中空纤维原理；(e)中空纤维截面SEM形貌；(f)中空纤维声学振动模态与压电转换机理；(g)中空纤维与实心纤维性能对比。

图2. 中空纳米纤维材料表征与机理分析：(a)不同内径中空纤维SEM图；(b)纤维内外径尺寸变化统计；(c)不同内径纤维有限元仿真振动幅值与压电输出；(d)纤维壁厚、形变与电压输出关联规律；(e)不同频率下中空纤维振动幅值仿真；(f)不同内径纤维内外结晶成核位点示意图；(g)结晶位点平衡与相互挤压示意图；(h)不同中空尺寸纤维结晶度、熔融温度测试结果；(i-j)纯PVDF与PVDF/PVP体系分子动力学模拟；(k)分子链二面角分布对比；(l)多组平行样品压电输出电压统计。

图3. 中空纤维声学传感器（HAS）声学性能测试：(a)声学信号测试屏蔽平台示意图；(b)270 Hz下器件信噪比测试结果；(c)不同声压下输出电压与灵敏度曲线；(d)相邻0.1 Hz频差信号采集与时域、FFT频谱；(e-f)与已报道声学传感器、商用薄膜灵敏度、信噪比、频率分辨率横向对比；(g)人体语音采集示意图；(h)不同词汇人声时域输出波形；(i)单词“Happy”短时傅里叶变换频谱；(j) HAS与商用薄膜录音时域波形对照；(k)时域-频域-幅值三维信号映射对比；(l-m)十组相同语音 DTW分析对比。

图4. 三维球形全向声学器件（S-HAS）结构设计与声源定位性能：(a) S-HAS球形传感结构示意图；(b)正十二面体传感平面展开结构；(c) 200–500 Hz下各传感面振动幅值分布；(d)200–240 Hz频段振动幅值放大对比；(e)各平面平均响应幅值统计；(f) 215 Hz下11个传感面信号响应分布；(g)不同入射角度声波下各平面振动强度热力图；(h-k)声源不同距离、不同入射角度下器件测试方案与输出电压变化；(l)三维空间声源定位效果演示。

图 5. 基于 S-HAS 的仿生双耳智能听觉系统：(a-c)人耳双耳定位与 S-HAS 仿生听觉系统原理对比；(d)多角度、多声源声学感知应用场景；(e)六位志愿者语句“Who is talking?”采集时域波形；(f) t-SNE降维+K-means聚类人声特征可视化；(g) 深度学习模型训练、测试准确率与损失函数变化曲线；(h)S-HAS 与商用薄膜测试准确率对比；(i-j) 两类器件声音识别混淆矩阵；(k)多人多角度声源采集示意图；(l)男女声时域、频域信号特征；(m)不同传感平面频率强度分布映射；(n)声源角度检测与人机交互识别界面示意图。

小结

该研究基于同轴静电纺丝构筑可调控中空PVDF压电纳米纤维，研究阐明中空结构压电材料协同调控内在机理，建立同步调控聚合物结晶行为与声波能量吸收的协同优化方案，大幅提升压电传感器声学响应；将中空纤维集成三维球形传感阵列实现全向拾音与高精度三维声源定位，结合深度学习算法完成高准确率声纹识别，为压电生物电子、智能声学传感与人机交互系统提供可规模化、适配性强的全新平台。

团队简介：

杨维清，西南交通大学前沿科学研究院院长，材料科学与工程学院教授/博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Nature、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计280余篇，其中影响因子IF>10论文80余篇，ESI高被引论文25篇，引用24000余次，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者。主持国家自然基金、教育部创新团队、JWKJW重点项目、四川省创新团队、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40余项(已授权24项)，已转化20余项专利，直接转让经费3000余万元。（教师主页https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index/128089/list/index.htm）。

邓维礼，西南交通大学副教授，博士生导师，四川省学术和技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）及河滨分校（UCR）访问学者，入选全球前2％顶尖科学家榜单。长期致力于纳米功能材料与柔性电子领域的基础研究，聚焦材料合成-物性表征-器件构建-应用开发全链条创新。重点研究基于电信号传导的功能器件，揭示纳米材料多级结构与器件宏观性能的构效关系，并推动柔性传感器在可穿戴人机交互等领域的应用。近年来，以第一或通讯作者身份，在Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Matter、ACS Nano、Nano-Micro Letters、InfoMat等国际知名期刊发表学术论文50余篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文10篇，封面论文9篇，论文引用11000余次，H-index 50（Google Scholar），相关研究成果获授权发明专利10余件，部分专利已完成成果转让。主持国家自然科学基金NSAF联合基金项目、青年科学基金项目、四川省科技厅重点研发项目、四川省自然科学基金面上项目、中央高校科技创新项目等多项国家及省部级科研项目。（教师主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/dengweili/zh_CN/index.htm）