全新聲感織物——這件“毛衣”可以聽到你的心跳

近日，麻省理工學院（MIT）的工程師們和 Rhode Island 設計學院合作，開發(fā)了一種全新的“聲感織物”，這種織物材料，不僅能夠像麥克風一樣，“聽到”聲音，還能像揚聲器一樣，“發(fā)出”聲音。

從安靜的圖書館，到繁忙的交通噪音，這種聲感織物都可以捕捉這些分貝范圍內的聲音，并能夠確定諸如拍手之類聲音的精確方向。當把這種材料織入襯衫的襯里時，還可以檢測到穿著者細微的心跳特征。

該成果的詳細介紹，發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

論文第一作者、麻省理工學院博士后 Wei Yan（現(xiàn)為新加坡南洋理工大學助理教授）表示，這項研究的成果，提供了一種全新的方式來傾聽我們的身體和周圍環(huán)境，將產生許多超乎想象的應用。

“穿著聲感服裝，你可以通過它來接聽電話，與他人交流。此外，這種織物還可以與人體皮膚接觸，使佩戴者能夠以舒適、連續(xù)、實時和長期的方式監(jiān)測自己的心臟和呼吸狀況?！盕ink 說。

受人耳啟發(fā)的聲感材料

傳統(tǒng)織物，往往用于抑制或阻隔聲音。例如音樂廳的隔音層，以及我們生活中的地毯。但 MIT 的研究團隊多年來一直致力于重塑織物的傳統(tǒng)角色。他們專注于擴展材料的特性，比如使織物更具功能性。

此次在尋找聲音感應織物的方法時，人耳的“聽聲原理”給了研究人員很大的靈感。

聲音，其實是一種空氣中傳播的壓力波。當這些聲波到達我們的耳朵時，極其敏感和復雜的三維器官——鼓膜，將壓力波轉化為機械振動，然后這些振動通過聽小骨進入內耳，耳蝸再將這些振動波轉換為可由大腦感知和處理的電信號。

盡管有些聲音很小，平時我們無法感知，但都會引起相應的振動，只不過有時候這種振動是納米級別的。為了捕捉到這些難以察覺的振動信號，受人類聽覺系統(tǒng)的啟發(fā)，該團隊試圖創(chuàng)造一種柔軟、耐用、舒適且能夠檢測聲音的織物“耳朵”。

（來源：Nature）

為了實現(xiàn)這一目的，他們發(fā)現(xiàn)：這種織物必須加入堅硬的或“高模量”纖維，才能有效地將聲波轉化為振動；其次，必須設計一種可以隨織物彎曲并在此過程中產生電輸出的特殊纖維。

考慮到這些前提條件，該團隊開發(fā)了一種稱為預制件的分層材料塊，由壓電層和響應聲波振動的增強材料成分制成。得到的預制材料塊大約有記號筆那么大，然后被加熱并像軟糖一樣被拉成 40 米長的細纖維。

實際上，這種纖維是由一種“壓電（piezoelectric）”材料設計，在彎曲或機械變形時會產生電信號，從而為織物提供一種將聲音振動轉換為電信號的方法。而這種柔性纖維被編織成織物時，也能夠像海洋中的海藻一樣，與織物一起任意彎曲。

不僅能聽聲，還能發(fā)聲

為了測試聲感纖維的敏感性，研究人員將聲感纖維連接到一塊懸浮的聚酯薄膜上，然后使用激光來測量薄片的振動——進而測量纖維的振動——以響應通過附近揚聲器播放的聲音。

雖然在安靜的圖書館和繁忙的道路交通之間，聲音的分貝有所不同，但聲感纖維都能夠相應振動，并產生與播放的聲音成比例的電流。

“這表明，薄膜上聲感纖維的性能可與手持式麥克風相媲美。”研究論文作者之一，MIT 化學工程系的 Grace Noel 說。

接下來，研究團隊將特制聲感纖維與傳統(tǒng)紗線編織在一起，生產出可懸垂、可機洗的織物面料。研究人員表示，合成面料感覺就像一件輕便的夾克，比牛仔布更輕，但比正裝襯衫重。

隨后，研究人員將一塊面料縫在襯衫的里面，通過在與襯衫不同角度站立時拍手，來測試織物對定向聲音感知的敏感性。結果表明，這種織物能夠在 3 米外的距離內，檢測到 1 度以內的聲音角度。

研究人員認為，這種能夠定向感知聲音的傳感織物，可以幫助聽力受損的人在嘈雜的環(huán)境中收聽外界聲音。

（來源：MIT）

此外，研究團隊還在襯衫的內襯上縫合一根纖維，位置大概在胸部區(qū)域上方，結果發(fā)現(xiàn)該聲感材料能夠準確檢測健康志愿者的心跳，以及心臟跳動特征的細微變化。

除了監(jiān)測心跳外，研究人員認為將聲感織物融入孕婦裝，還可以幫助監(jiān)測胎兒心跳。

更有意思的是，研究人員提出新的設想，如果將聲感纖維的功能顛倒過來，不再用作聲音檢測器，而是用作揚聲器，效果會怎樣呢？

為此，研究人員先錄下一串口語，并以施加電壓的形式將記錄饋送到聲感纖維，發(fā)現(xiàn)聲感纖維能夠將電信號轉換為可聽見的振動，而再用另一根聲感纖維作為“耳朵”，順利檢測到聲感纖維發(fā)出的聲音振動。

除了可穿戴助聽器、可語音交流的服裝，以及可追蹤生命體征的服裝外，該團隊還看到了更多的應用可能。

“它可以與航天器服裝集成，以監(jiān)測太空塵埃，或嵌入建筑物中，以檢測裂縫或應變，”Yan 建議道?！八踔量梢跃幙棾梢粋€智能網來監(jiān)測海洋中的魚類。由此可見，聲感纖維正在開啟一個極大的機遇?！?/p>

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9

https://news.mit.edu/2022/fabric-acoustic-microphone-0316

來源：學術頭條