材料在破坏时会释放声能，这一现象早已被声发射检测所利用。然而，要想在纳米或微米尺度捕捉最早期的损伤，却几乎超出了传统传感器的灵敏度。现有的麦克风体积庞大、对环境噪声敏感，而且在面对极低能量的信号时往往“听而不闻”。
意大利罗马三大的研究者们选择了一种新的方式：他们利用电纺制备的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维网，制成了一张重量仅0.15克的超轻压电传感器。这张“纤维网”不仅极其轻盈，几乎不干扰环境，还能在非接触状态下准确捕捉复合材料微丝断裂时发出的空气声波。
(a) 构成 PE/PET 复合条的 PET 网络图像，以及用于早期损伤检测的试验装置 —— 该装置包含一个机械悬浮的压电纳米网（由静电纺丝聚偏氟乙烯膜（PVDF 纳米网）制成）、一台激光测振仪和一个商用麦克风（作为非接触式监测设备）；(b) 静电纺丝压电纳米网的光学图像；(c) 声学压电纳米网传感器（PVDF 纳米网传感器）的示意图，该传感器包含上下两层环形铝电极，形成三明治结构。图片来源：Materials Today, 2025, 83: 198-212. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.003
这项研究成果发表在《Materials Today》（2025年3/4月刊，第83卷）上。研究人员提出“材料语音学”（material phonetics）的概念，并证明复合材料在微观断裂时产生的声信号中，确实可以提取出类似人类语音的“音位指纹”。这一成果为结构健康监测提供了新的技术思路。
实验材料选取了PE/PET复合条带，其中的PET微丝呈纵向与横向编织的网状结构，在受拉伸过程中会逐级发生不同层级的断裂——1 根 PET 微丝由 16 根直径 16μm 的微线组成，在受拉伸过程中会逐级发生“微线断裂”与“微丝断裂”两类不同层级的断裂。
PE/PET 复合条的拉伸损伤过程与试验现象记录。图片来源：Materials Today, 2025, 83: 198-212. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.003
研究团队通过位移控制拉伸样品至完全失效，并同时使用三种手段记录响应：一是激光测振仪监测试样表面的瞬态振动，作为基准；二是商用预极化全向电容麦克风记录空气传播的声波；三是核心的PVDF纳米纤维网，用以验证其探测能力。
实验表明，每一次微丝断裂都会引发极短暂的能量释放，表现为清晰的脉冲声包络。尤其在多丝连续断裂时，声信号呈现密集的振动列，形态颇似“颤音”。
在对比中，商用麦克风更容易受到反射波干扰，对低能量断裂的捕捉力有限；而纳米纤维网则展现出更高的保真度，能够稳定记录这些极细微的能量释放，且该 PVDF 纳米网具有一定抗拉伸能力 —— 拉伸至 16% 应变时，监测信号强度变化仅 13%-16%，仅在 20% 应变时因电极接触损失导致强度明显下降，适用于动态监测场景。
团队并未止步于“能听到”，他们借助语音学分析工具（PRAAT软件）对信号进行了解码。
他们发现，材料断裂产生的声波可以类比于人类的发声过程：断裂瞬间的能量释放如同“声带”的振动，而复合材料的整体结构则扮演着“声道”，决定声信号的共振模式。
分析结果显示，不同断裂模式在频域上表现出特定的共振峰（formants），这些峰值的分布与材料微结构密切相关；基频（pitch）随着损伤积累逐渐降低，激光和 PVDF 纳米网分别检测到 28% 和 22% 的降幅，这一变化反映了材料局部刚度随损伤增加而下降，进而影响振动频率的内在逻辑；声强（intensity）则几乎可以作为不同破坏模式的标签。
换句话说，材料在受拉伸时大多“沉默”，而在瞬间断裂时却会“发声”，并留下可识别的语音学特征。
这一研究展示了压电纳米纤维网作为新型声学传感器的潜力，同时提出了“材料语音学”的新框架：通过类比语音学的方法，可以把材料的声信号转化为一种“语言”，从而实现对损伤的识别和解读。相比传统的结构健康监测手段，这种方法在灵敏度、轻量化和非接触检测方面具有一定优势。
当然，现阶段的实验仍处于概念验证阶段，研究对象是单一复合材料，破坏模式也较为理想化。要真正走向工程应用，还需解决复杂环境中的噪声干扰、多模式损伤识别和实时信号处理等问题。
论文信息：Lanzara G, Chinnam K C, Magnafico E, et al. Moving towards materials with humanoid functionality: Sensing their speech with piezoelectric nanowebs[J]. Materials Today, 2025, 83: 198-212. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.003
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