文 | 学术头条
近日，麻省理工学院（MIT）的工程师们和 Rhode Island 设计学院合作，开发了一种全新的“声感织物”，这种织物材料，不仅能够像麦克风一样，“听到”声音，还能像扬声器一样，“发出”声音。
从安静的图书馆，到繁忙的交通噪音，这种声感织物都可以捕捉这些分贝范围内的声音，并能够确定诸如拍手之类声音的精确方向。当把这种材料织入衬衫的衬里时，还可以检测到穿着者细微的心跳特征。
该成果的详细介绍，发表在最新一期的《自然》杂志上。
论文第一作者、麻省理工学院博士后 Wei Yan（现为新加坡南洋理工大学助理教授）表示，这项研究的成果，提供了一种全新的方式来倾听我们的身体和周围环境，将产生许多超乎想象的应用。
“穿着声感服装，你可以通过它来接听电话，与他人交流。此外，这种织物还可以与人体皮肤接触，使佩戴者能够以舒适、连续、实时和长期的方式监测自己的心脏和呼吸状况。”Fink 说。
受人耳启发的声感材料
传统织物，往往用于抑制或阻隔声音。例如音乐厅的隔音层，以及我们生活中的地毯。但 MIT 的研究团队多年来一直致力于重塑织物的传统角色。他们专注于扩展材料的特性，比如使织物更具功能性。
此次在寻找声音感应织物的方法时，人耳的“听声原理”给了研究人员很大的灵感。
声音，其实是一种空气中传播的压力波。当这些声波到达我们的耳朵时，极其敏感和复杂的三维器官——鼓膜，将压力波转化为机械振动，然后这些振动通过听小骨进入内耳，耳蜗再将这些振动波转换为可由大脑感知和处理的电信号。
尽管有些声音很小，平时我们无法感知，但都会引起相应的振动，只不过有时候这种振动是纳米级别的。为了捕捉到这些难以察觉的振动信号，受人类听觉系统的启发，该团队试图创造一种柔软、耐用、舒适且能够检测声音的织物“耳朵”。
（来源：Nature）
为了实现这一目的，他们发现：这种织物必须加入坚硬的或“高模量”纤维，才能有效地将声波转化为振动；其次，必须设计一种可以随织物弯曲并在此过程中产生电输出的特殊纤维。
考虑到这些前提条件，该团队开发了一种称为预制件的分层材料块，由压电层和响应声波振动的增强材料成分制成。得到的预制材料块大约有记号笔那么大，然后被加热并像软糖一样被拉成 40 米长的细纤维。
实际上，这种纤维是由一种“压电（piezoelectric）”材料设计，在弯曲或机械变形时会产生电信号，从而为织物提供一种将声音振动转换为电信号的方法。而这种柔性纤维被编织成织物时，也能够像海洋中的海藻一样，与织物一起任意弯曲。
不仅能听声，还能发声
为了测试声感纤维的敏感性，研究人员将声感纤维连接到一块悬浮的聚酯薄膜上，然后使用激光来测量薄片的振动——进而测量纤维的振动——以响应通过附近扬声器播放的声音。
虽然在安静的图书馆和繁忙的道路交通之间，声音的分贝有所不同，但声感纤维都能够相应振动，并产生与播放的声音成比例的电流。
“这表明，薄膜上声感纤维的性能可与手持式麦克风相媲美。”研究论文作者之一，MIT 化学工程系的 Grace Noel 说。
接下来，研究团队将特制声感纤维与传统纱线编织在一起，生产出可悬垂、可机洗的织物面料。研究人员表示，合成面料感觉就像一件轻便的夹克，比牛仔布更轻，但比正装衬衫重。
随后，研究人员将一块面料缝在衬衫的里面，通过在与衬衫不同角度站立时拍手，来测试织物对定向声音感知的敏感性。结果表明，这种织物能够在 3 米外的距离内，检测到 1 度以内的声音角度。
研究人员认为，这种能够定向感知声音的传感织物，可以帮助听力受损的人在嘈杂的环境中收听外界声音。
（来源：MIT）
此外，研究团队还在衬衫的内衬上缝合一根纤维，位置大概在胸部区域上方，结果发现该声感材料能够准确检测健康志愿者的心跳，以及心脏跳动特征的细微变化。
除了监测心跳外，研究人员认为将声感织物融入孕妇装，还可以帮助监测胎儿心跳。
更有意思的是，研究人员提出新的设想，如果将声感纤维的功能颠倒过来，不再用作声音检测器，而是用作扬声器，效果会怎样呢？
为此，研究人员先录下一串口语，并以施加电压的形式将记录馈送到声感纤维，发现声感纤维能够将电信号转换为可听见的振动，而再用另一根声感纤维作为“耳朵”，顺利检测到声感纤维发出的声音振动。
除了可穿戴助听器、可语音交流的服装，以及可追踪生命体征的服装外，该团队还看到了更多的应用可能。
“它可以与航天器服装集成，以监测太空尘埃，或嵌入建筑物中，以检测裂缝或应变，”Yan 建议道。“它甚至可以编织成一个智能网来监测海洋中的鱼类。由此可见，声感纤维正在开启一个极大的机遇。”
参考资料：
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9
- https://news.mit.edu/2022/fabric-acoustic-microphone-0316