文 | 學術頭條
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範圍内的聲音，并能夠确定諸如拍手之類聲音的精确方向。當把這種材料織入襯衫的襯裡時，還可以檢測到穿着者細微的心跳特征。
該成果的詳細介紹，發表在最新一期的《自然》雜志上。
論文第一作者、麻省理工學院博士後 Wei Yan（現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境，将産生許多超乎想象的應用。
“穿着聲感服裝，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，使佩戴者能夠以舒适、連續、實時和長期的方式監測自己的心髒和呼吸狀況。”Fink 說。
受人耳啟發的聲感材料
傳統織物，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緻力于重塑織物的傳統角色。他們專注于擴充材料的特性，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，極其敏感和複雜的三維器官——鼓膜，将壓力波轉化為機械振動，然後這些振動通過聽小骨進入内耳，耳蝸再将這些振動波轉換為可由大腦感覺和處理的電信号。
盡管有些聲音很小，平時我們無法感覺，但都會引起相應的振動，隻不過有時候這種振動是納米級别的。為了捕捉到這些難以察覺的振動信号，受人類聽覺系統的啟發，該團隊試圖創造一種柔軟、耐用、舒适且能夠檢測聲音的織物“耳朵”。
（來源：Nature）
為了實作這一目的，他們發現：這種織物必須加入堅硬的或“高模量”纖維，才能有效地将聲波轉化為振動；其次，必須設計一種可以随織物彎曲并在此過程中産生電輸出的特殊纖維。
考慮到這些前提條件，該團隊開發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号筆那麼大，然後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産生電信号，進而為織物提供一種将聲音振動轉換為電信号的方法。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，還能發聲
為了測試聲感纖維的敏感性，研究人員将聲感纖維連接配接到一塊懸浮的聚酯薄膜上，然後使用雷射來測量薄片的振動——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，并産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，研究團隊将特制聲感纖維與傳統紗線編織在一起，生産出可懸垂、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。
随後，研究人員将一塊面料縫在襯衫的裡面，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覺的敏感性。結果表明，這種織物能夠在 3 米外的距離内，檢測到 1 度以内的聲音角度。
研究人員認為，這種能夠定向感覺聲音的傳感織物，可以幫助聽力受損的人在嘈雜的環境中收聽外界聲音。
（來源：MIT）
此外，研究團隊還在襯衫的内襯上縫合一根纖維，位置大概在胸部區域上方，結果發現該聲感材料能夠準确檢測健康志願者的心跳，以及心髒跳動特征的細微變化。
除了監測心跳外，研究人員認為将聲感織物融入孕婦裝，還可以幫助監測胎兒心跳。
更有意思的是，研究人員提出新的設想，如果将聲感纖維的功能颠倒過來，不再用作聲音檢測器，而是用作揚聲器，效果會怎樣呢？
為此，研究人員先錄下一序列槽語，并以施加電壓的形式将記錄饋送到聲感纖維，發現聲感纖維能夠将電信号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內建，以監測太空塵埃，或嵌入建築物中，以檢測裂縫或應變，”Yan 建議道。“它甚至可以編織成一個智能網來監測海洋中的魚類。由此可見，聲感纖維正在開啟一個極大的機遇。”
參考資料：