MIT开发新“声学织物”将可听到的声音转换为电信号

受人耳的启发，麻省理工学院的工程师和罗德岛设计学院的合作者开发了一种将可听到的声音转换为电信号的新“声学织物”。该团队设计了一种像麦克风一样工作的织物，首先将声音转换为机械振动，然后转换为电信号，类似于我们的耳朵如何听。

所有的织物都会对可听到的声音做出反应，尽管这些振动是纳米级的，一般情况下无法感觉到。为了捕捉这些难以察觉的信号，研究人员创造了一种灵活的纤维，当它被织入织物时，会像海面上的海草一样随织物弯曲。

这种纤维是由一种“压电”材料设计的，当弯曲或机械变形时产生电信号，为织物提供了一种将声音振动转化为电信号的方法。

这种织物可以捕捉到从安静的图书馆到繁忙的道路交通等各种分贝的声音，并确定手拍等突发声音的精确方向。当织入衬衫的衬里时，这种织物可以检测到穿着者微妙的心跳特征。这种纤维也可以被制成产生声音，如口语的录音，另一种织物可以检测到。

2022年3月16日，《自然》杂志发表了一项详细介绍该团队设计的研究。主要作者Wei Yan作为麻省理工学院的一名博士后，帮助开发了这种纤维，他认为能听到声音的织物有很多用途。

Yan说：“穿上一件声学服装，你可能会通过它来接听电话和与他人交流，”他现在是新加坡南洋理工大学的副教授。“此外，这种织物可以不知不觉地与人体皮肤对接，使穿戴者能够以舒适、连续、实时和长期的方式监测他们的心脏和呼吸状况。”

Yan的共同作者包括Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono，以及麻省理工学院的John Joannopoulos 和 Yoel Fink教授。还有罗德岛设计学院（RISD）的Anais Missakian和Elizabeth Meiklejohn，凯斯西储大学的Lei Zhu，威斯康星大学麦迪逊分校的Chu Ma，以及美国陆军环境医学研究所的Reed Hoyt。

织物传统上被用来抑制或减少声音；例子包括音乐厅的隔音材料和我们生活空间的地毯。但是Fink和他的团队多年来一直致力于重新塑造织物的传统角色。他们专注于扩展材料的特性，使织物更具功能性。在寻找制造声音感应织物的方法时，该团队从人耳中获得了灵感。

可听的声音以轻微的压力波在空气中传播。当这些波到达我们的耳朵时，一个极其敏感和复杂的三维器官--鼓膜，使用一个圆形的纤维层将压力波转化为机械振动。这些振动通过小骨头进入内耳，在那里耳蜗将这些波转换为电信号，由大脑感知和处理。

受人类听觉系统的启发，该团队试图创造一种柔软、耐用、舒适并能探测声音的织物“耳朵”。他们的研究导致了两个重要的发现。这种织物必须包含坚硬或“高模量”的纤维，以有效地将声波转化为振动。而且，研究小组必须设计一种能够与织物一起弯曲的纤维，并在此过程中产生电力输出。

考虑到这些准则，该团队开发了一种被称为预制件的分层材料块，由压电层以及增强材料对声波的振动的成分组成。由此产生的预制件，大约有一个马克笔的大小，然后被加热并像太妃糖一样拉成40米长的薄纤维。

研究人员通过将光纤连接到悬挂的胶布上，测试了它对声音的敏感性。他们用激光来测量片材的振动--进而测量纤维--对通过附近扬声器播放的声音的反应。声音的分贝在安静的图书馆和繁忙的公路交通之间变化。作为回应，纤维振动并产生与播放的声音成比例的电流。

Noel说：“这表明膜上纤维的性能与手持麦克风相当。”

接下来，该团队将纤维与传统纱线编织在一起，生产出可悬垂、可机洗的织物面板。Meiklejohn说：“它的感觉几乎就像一件轻量级的夹克--比牛仔裤轻，但比礼服衬衫重，”她用一台标准织机织出了这种织物。

她将一块面板缝在一件衬衫的背面，研究小组通过站在与衬衫不同角度的情况下拍手来测试该面料对方向性声音的敏感性。

Noel指出：“在3米远的地方，织物能够检测到1度以内的声音角度。”

研究人员设想，定向声音感应织物可以帮助那些有听力损失的人在嘈杂的环境中调整到扬声器。

研究小组还将一根纤维缝在衬衫的内衬上，就在胸部区域，并发现它能准确地检测到健康志愿者的心跳，以及心脏S1和S2的微妙变化。除了监测自己的心跳外，Fink认为有可能将这种声学织物纳入孕妇服装，以帮助监测婴儿的胎儿心跳。

最后，研究人员颠覆了纤维的功能，使其不再作为声音探测器，而是作为一个扬声器。他们录制了一些口语，并以外加电压的形式将录音输入到纤维中。纤维将电信号转换为可听的振动，第二根纤维能够检测到这些振动。

除了可穿戴的助听器、可交流的衣服和跟踪生命体征的服装，该团队还看到了衣服以外的应用。

“它可以与航天器的外层结合，以倾听（积累的）空间尘埃，或嵌入建筑物以检测裂缝或应变，”Yan提议。“它甚至可以被编织成一张智能网，以监测海洋中的鱼类。该纤维正在开启广泛的机会。”

Fink说：“这项研究的成果实际上为织物提供了一种倾听我们身体和周围环境的新方法。我们的学生、博士后和工作人员对推进研究的奉献精神一直让我惊叹不已，这与这项在大流行期间进行的工作尤其相关。”