声学衣服能够“听到”你的心跳

只要需要一件衬衫就能解决听力困难的问题。这是由麻省理工学院的工程师和罗德岛设计学院的合作者共同开发的一种新型“声学织物”背后的理念。

该团队设计了一种像麦克风一样工作的织物，将声音先转换成机械振动，然后再转换成电信号，类似于我们的耳朵听到的声音。

尽管这些振动在纳米量级上——小到通常无法被感知——但织物会根据可听到的声音振动。为了捕捉这些难以察觉的信号，研究人员创造了一种有弹性的纤维，当织成织物时，它会像海洋表面的海藻一样随着织物弯曲。

这种纤维是由一种“压电”材料设计的，当弯曲或机械变形时，它会产生电信号，为织物提供了一种将声音振动转换为电信号的方法。这种纤维可以捕捉到从安静的图书馆到繁忙的道路交通的分贝范围内的声音，并确定像拍手这样的突然声音的准确方向。当这种布料被织进衬衫衬里时，它可以探测到穿着者微妙的心跳特征。这种纤维还可以产生声音，比如另一种纤维可以检测到的语音记录。

一项详细介绍该团队设计的研究发表在今天的《Nature》杂志上。作为麻省理工学院（MIT）的博士后，Wei Yan帮助开发了这种纤维。

“穿着一件声学服装，你就可以通过它来接电话和与他人交流。”Yan说，他现在是新加坡南洋理工大学的助理教授。此外，这种织物可以不知不觉中与人类皮肤接触，舒适、长效且实时地帮助穿戴者来监控他们的心脏和呼吸道条件。”

Yan的合著者包括Grace Noel，Gabriel Loke，Tural Khudiyev，Juliette Marion，Juliana Cherston，Atharva Sahasrabudhe，Joao Wilbert，Irmandy Wicaksono，麻省理工学院的John Joannopoulos和Yoel Fink教授，以及罗德岛设计学院（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里德·霍伊特（Reed Hoyt）。

合理的分层

传统的织物通常被用来减弱或减少声音：例如音乐厅的隔声和地毯。Fink和他的团队多年来一直致力于改造面料的传统角色，他们专注于扩展材料的性能，使织物更具功能性。为了寻找制造声音传感织物的方法，研究小组从人类的耳朵中获得了灵感。

可听声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，我们的耳朵是一个非常敏感和复杂的三维器官，鼓膜或耳膜，利用一层圆形纤维将压力波转化为机械振动。这些振动通过小骨头传入内耳，耳蜗将声波转换成电信号，由大脑感知和处理。

受人类听觉系统的启发，该团队试图创造一个柔软、耐用、舒适并能够探测声音的织物“耳朵”。他们的研究导致了两个重要的发现：这样的织物必须包含刚性或“高模量”纤维，才能有效地将声波转化为振动。此外，该团队还必须设计出一种纤维，这种纤维可以与织物一起弯曲，并在弯曲过程中产生电流输出。

根据这些指导原则，研究小组开发了一种叫做预成型品的分层材料块，这种材料块由压电层和材料成分制成，以增强材料响应声波的振动。最后得到的预成型物，大约有粗记号笔那么大，然后加热，像太妃糖一样拉成40米长的细纤维。

轻量级聆听

研究人员将这种纤维粘在一张悬挂的聚酯薄膜上，测试它对声音的敏感度。他们用激光测量了薄片的振动，进而测量了纤维对附近扬声器播放的声音的响应。在安静的图书馆和繁忙的道路交通中，各种声音的分贝各不相同。作为回应，纤维振动并产生与所播放的声音成比例的电流。“这表明薄膜声学纤维的性能与手持麦克风相当。”Noel说。

接下来，该团队用常规纱线将这种声学纤维织成可悬垂的、可机洗的织物面板。“感觉像是一件轻便的夹克——比牛仔轻，但比礼服衬衫重。”Meiklejohn说。她在一件衬衫的背面缝了一块木板，研究小组通过站在衬衫的不同角度鼓掌来测试这种布料对声音方向的敏感度。

Noel说：“这种布料能够在3米以外探测到1度以内的声音角度。”研究人员设想，一种定向声音传感织物可以帮助失聪的人在嘈杂的环境中收听扬声器。

研究小组还在衬衫的内里缝了一根声学纤维，刚好穿过胸部区域，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的细微变化，即“lub-dub”特征。Fink认为，除了监测自己的心跳外，还可以在孕妇装中加入声学纤维，以帮助监测胎儿的心跳。

最后，研究人员逆转了声学纤维的功能，使其不再充当声音探测器，而是充当扬声器。他们记录了一串说出的单词，并以外加电压的形式将记录输入声学纤维。该声学纤维将电信号转换为可听的振动，第二根声学纤维能够检测到这种振动。

除了可穿戴助听器、可以交流的服装和追踪生命体征的服装外，该团队还看到了服装以外的应用。

“它可以与航天器的外壳相结合来倾听（积累的）太空尘埃，或者嵌入建筑物来检测裂缝或应变，”Yan建议道。“它甚至可以编织成智能网来监测海洋中的鱼类。声学纤维正在打开广泛的应用范围。”

Fink说：“这项研究的成果为布料倾听我们的身体和周围环境的声音提供了一种新方法。”

信息源于：mit