睡眠作为人类健康的基本组成部分，占日常生活的20-40%[1]。然而，随着城市化进程的加快[2]，噪声污染已成为高质量睡眠的重大威胁。大量证据表明，长期暴露于噪声中可能会导致睡眠中断并降低睡眠的恢复效果[3],[4]。此外，这些干扰还可能与严重的健康问题相关，包括心血管疾病、糖尿病和认知问题[5]。因此，开发轻便且有效的可穿戴吸音设备对于创造适宜的睡眠环境和提高睡眠质量至关重要。目前，便携式睡眠监测在健康管理中越来越受到重视，而人工智能的快速发展使得这一点成为可能[6],[7],[8],[9],[10],[11]。通过分析收集的数据，可以提出改善睡眠质量的建议。因此，将吸音功能与智能睡眠监测相结合，为人们保持健康睡眠提供了全面的解决方案。
为了实现睡眠监测，可以使用压力传感器来捕捉睡眠期间的生理信号，如身体运动模式，从而进行无创健康评估[12]。Ramírez等人[13],[14],[15]提出了一种能够监测阻塞性睡眠呼吸暂停的应变传感器，但它需要持续的外部电源，这增加了维护成本和运营费用。开发自供电传感器是克服这一挑战的重要方法[16]。最近，Yue等人[17]提出了一种摩擦电传感器，可以收集心跳和呼吸信号，用于识别不同的睡眠阶段。然而，这些传感器对环境湿度敏感[18]。相比之下，压电传感器具有快速的响应时间，并且在各种条件下都能保持稳定的性能。Sato等人[19]使用基于钛酸铅锆（PZT）传感器的睡眠监测系统来检测嗜睡症。然而，PZT烧结过程中产生的铅对环境和人类健康构成潜在威胁[20],[21],[22]。无铅压电材料，如Ba?.??Ca?.??Zr?.?Ti?.?O?（BCZT），具有低生物毒性和高压电输出[23],[24]。因此，无铅压电材料对于开发睡眠监测设备具有很大的潜力。
另一方面，为了应对噪声对睡眠的不利影响，研究集中在多孔吸音材料上，这些材料可以分为有机材料和无机材料[25]。有机泡沫如聚氨酯（PU）和三聚氰胺（MEL）仅在高频（>2 kHz，例如汽车警报声）下表现出较高的吸音系数[26],[27],[28],[29]。然而，它们在低频和中频范围（<1000 Hz，例如飞机引擎、压缩机和打鼾声）的吸音系数较低，从而降低了其在睡眠中的有效性[25],[30]。相比之下，无机多孔材料如玻璃棉在吸收低频和中频噪声时非常有效，25毫米厚的玻璃棉在1000 Hz时的吸音系数超过0.9[31]。然而，这些无机材料的密度相对较高，其碎片可能对人体健康构成风险，不适合直接接触。
随着对轻便、可穿戴和宽带吸音材料需求的增加，声学气凝胶因其低密度和高孔隙率而引起了广泛的研究兴趣[32]。冷冻干燥是制备气凝胶的常用方法[33],[34],[35],[36]。Lou等人[37]通过冷冻干燥制备了开孔纤维素气凝胶，在4500 Hz时的吸音系数达到0.88，密度为55.4 mg/cm3。然而，这些气凝胶的密度还可以进一步降低，但缺乏弹性恢复能力，使其不适合用于可穿戴设备。
在这项研究中，通过循环冷冻铸造（cCBAs）制备了具有定向孔道的弹性细菌纤维素（BC）-Ba?.??Ca?.??Zr?.?Ti?.?O?（BCZT）气凝胶（CBAs），以探索其作为吸音和智能传感多功能材料的潜力。制备的低密度（低至4 mg/cm3）气凝胶在低面积密度（4.7 mg/cm2）下实现了0.24的噪声降低系数（NRC）。引入BCZT提高了机械强度（最大应力增加了25%），改善了低频和中频吸音性能，并赋予了材料压电传感能力。此外，通过将cCBAs与深度学习算法结合，本研究开发了一个卷积神经网络（CNN）模型，能够以100%的准确率检测和监测睡眠行为。cCBAs的设计展示了其在多功能声学材料和智能睡眠监测系统方面的潜力。
