受人类听觉系统的启发首次通过衣服“听见”声音

2022-05-23

海外星云 2022年9期

关键词：声学织物纤维

衣服可以像人的“耳朵”一樣，作为声音“ 收集器” 吗？也就是说，人们可以通过衣服就能实现接听电话、定位、听诊心肺肠胃等生理信号、帮助听觉障碍者“听见”，甚至还能对太空尘埃的声音进行监测等多种功能。

以上情景并不是科幻电影和小说的虚拟情节，而是一项最新的科研进展。

近日，麻省理工学院团队研发了一种全新的声学织物，首次利用纳米级震动的单根智能纤维，实现了对微弱的可听的声音信号的收集、监测，其最小的探测分贝为0.002Pa（40分贝），并可以监听心脏极其微弱的声音信号。

这种声学织物可“听见”的原理是通过两层“转变”，首先把声压转变成机械振动，然后再将机械振动转变为电信号，这相当于将无形的“ 助听器” 或“麦克风”嵌入在衣服中。

北京时间2022年3月17日，相关论文以《声学织物通过纳米级振动的单根纤维实现》为题发表在《自然》上。

约尔·芬克教授为论文通讯作者，新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院及材料科学与工程学院双聘助理教授、博士生导师严威博士为论文第一作者。

颠覆织物在声学领域的应用，3000次循环变形后仍保持稳定

传统的织物（衣服）一直被用作高效的声音吸收器，把承载着有效信息的声压（机械能）耗散为无用的热能。

2018年，该团队提出全新概念设想：能否颠覆几千年来织物在声学领域的应用？也就是说，织物不是能量消耗的载体，而是像人的耳朵一样，将声音转化为电信号。

织物传声器的设计与原理

然而，在实际的研究过程中进展并不顺利，因为将衣服中的纳米级机械振动转化为电信号是全新的概念，并没有太多报道文献可参考，相当于“一片空白” 。因此，他们遇到的第一个难题是——纤维该如何设计与制备。

他们采用了一种可大规模制备的热拉技术，而热拉技术的核心是热塑性变形，这与“拉面条”的原理类似。纤维中的材料在拉应力下会变得越来越细，但是，不同材料的相对位置和结构却保持不变，拉伸长度可至几百米甚至上千米。

实际上，制备该声学织物的核心纱线由6种不同的材料组成，每种材料“热塑变形能力”也不尽相同。其中，可发生热塑性变形的是压电的基体材料，而不能发生热塑性变形则是杨氏模量非常高的压电纳米颗粒。

“这导致纱线在拉制加工的过程中，在纳米粒子周围形成孔隙，也就是形成了非常新颖的铁电柱极体。通过引入这种多孔结构，使纤维具备非常高的压电指标，从而对纳米级的微弱振动十分敏感。”严威说。

实现6种材料的流体力学性能以及热性能统一并非易事。严威表示，为解决材料在拉伸过程中的断裂、失稳等问题，他大概用了8个月时间专门攻克该项难题。

除了纤维材料的微观结构，纤维的宏观结构设计也显著影响纤维的性能。在研究过程中严威发现，这种纤维外的包覆层必须是软的才能实现较好的性能，而里边的压电材料是硬的。因此最终形成一种“外柔内刚”的结构，实现了高应变、高输出电压的性能。

声学纤维制造和表征

第二个难题是，纤维纱线的机械性能稳定性。为探究这个问题，团队使用了计算机模拟，以更好地进行结构各方面指标的优化。最终，这种智能纤维在3000次的循环变形后电学性能仍保持不变，并实现了1 0次机洗测试后性能稳定的技术指标。

第三个难题是，如何用声学的方法表征这一全新的声学织物。由于织物的振动对边界条件极其敏感，如何控制边界条件成了当时研究中的一大技术瓶颈。在尝试了一系列方法后，通过长期探索和借助多普勒激光测振仪，严威得到了理想的结果，因此，最终得以清楚地阐明了声学织物的工作原理。

“我们的工作建立了制备这类全新声学织物一套初步的标准，涵盖纤维材料、纤维结构设计与制备、织物材料、织物结构设计与制备、织物的声学表征与性能优化策略。” 严威表示。

可在多领域应用，未来或将与柔性电子、脑机接口、人工智能等技术融合发展

不同程度的听力障碍已成为不可忽视的常见疾病。根据世界卫生组织2021年发布的《世界听力报告》，全球超过15亿人遭受某种程度的听力损失。到2050年，这一数字可能会增加到2 5亿。并且，听力损失仍然是世界上第三大残疾原因。

通常，听力障碍人群借助助听器、植入物、治疗手段、手语和字幕来解决这种困扰。但这些手段从便利性、舒适性以及成本方面都有天然的阻碍。因此，该团队用声学织物为听力障碍人群提供了一种更为舒适、便捷、低价的解决途径。

不局限于上述群体，对于视觉障碍人群、枪声检测、救援被困者等领域，这种声学织物可帮助他们快速、准确地定位，以获取更可靠的声源信息。

此外，在航天航空领域，该团队还向美国国家航空航天局提供这种声学织物，通过声音判断太空环境中高速运转的尘埃、微流星体、太空残骸等。据悉，目前，第一批声学织物样品已经“ 送上天”，正在准备第二批样品的测试。

简单来说，一方面，检测声音是外界通过声学织物对机械振动的“输入”和电信号的输出，在这里，声学织物的功能相当于“麦克风”——替人们“听见”。

另一方面，通过电压的输入，声学织物还能将内在的声音“输出”到外界，在这里，声学织物相当于“扬声器”发射声音——替人们“说话”。

严威表示，该声学织物可以有不同的“输入”或者“输出”功能，即可实现“听见”和“说话”的不同功能。未来，通过脑机接口等技术提取大脑中的语言信号，将该信号调制为电信号，然后将该信号输入到衣服中，便可输出声音，相当于让语言障碍者“说话”。

机织吸声织物的制造与表征

也就是说，穿上这样的衣服，可以帮助语言障碍者或听力障碍者更好地建立有效的沟通途径。并且，使用者还可以通过“开关”，根据需求调节音量。

对人体内生理信号的即时监测方面，声学织物相当于“听诊器”。例如，监测人的心脏、肠、胃、肺等声音。如果将这种声学织物应用在孕妇服，还能提供胎儿的胎心监护等。

并且，声学织物还可与前沿技术融合，当检测数据形成一定规模后，可通过人工智能分析，提取出数据中的异常点而判断疾病。再将数据通过无线通讯技术远程传导到APP中，方便医生更全面、便捷地监测人体健康信号，对疾病的早期预防、病理分析都将起到关键性作用。

声学织物的综合应用实例

在实际应用中，将机械振动转化为电信号主要靠一根热拉的纱线，其占整体衣料的0.1%，并不需要纱线在全部衣料中使用。

从材料成本角度，声学织物中只有压电材料略贵。据估算，1㎡声学织物的成本在1 0美元左右。目前，美国相关公司正在对声学织物进行大规模制备以及各性能指标方面的优化。

博士论文获得唯一奖项，期待将智能织物变成计算机或手机

严威具有材料与电子器件交叉科研背景优势，他本科毕业于中南大学粉末冶金研究院，导师为粉末冶金专家刘咏教授;随后在中国科学院金属研究所完成了硕士阶段的学习，硕士导师为钢铁材料专家李殿中研究员。

2013年，严威敏锐地察觉到柔性电子、可穿戴电子、人工智能等结合的技术是未来发展的前沿。因此，他选择前往瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）材料科学与工程系攻读博士学位，因博士毕业论文优异，成为获得EPFL 2019 Prof. René Wasserman Award奖的唯一获奖人。在麻省理工学院完成博士后研究后，他加入新加坡南洋理工大学任教。