声学织物——用于通信和医疗信息无创收集

作者：Alex Lopatka

编译：袁瑜

图片来源：麻省理工学院的 Yoel Fink 和 Greg Hren 提供

几千年来，人类及其史前祖先一直在制造纱线和织物。但即使有着如此悠久的历史，纺织品仍然是材料研究的一个活跃领域。最近的一项发展是制作声学织物，可用于先进的通信和医疗信息的无创收集。

但制造声音探测织物一直具有挑战性。一方面，织物通常会抑制声音，因此它们的构造必须避免声音消散。此外，设计应保持织物的理想传统特性：美观、舒适、可洗性和柔韧性。

为了克服这些问题，魏延（当时是麻省理工学院的博士后，现在是新加坡南洋理工大学的助理教授）、Yoel Fink（麻省理工学院）和他们在罗德岛设计学院和其他机构的同事使用了一种新方法，灵感来源于人耳的结构。他们的原型织物有效地将空气中的压力波转换为电信号，方便了双向通信。

人耳的聆听能力始于鼓膜，俗称耳膜。它由高模量纤维组成，可将通过空气传播的压力波转换为使中耳骨振动的机械振动。一旦振动到达内耳的耳蜗，称为纤毛的毛细胞就会偏转并将振动转换为电信号，然后由神经系统进行解释。

魏延和 Fink 的设计复制了人类的听觉系统：平面织物充当鼓膜。为了将空气中的声压波转换为电信号，复合活性层柔性纤维（图像底部的水平锯齿形）交织在织物中。

该纤维由六种材料制成，包括压电陶瓷颗粒。它首先被制成一个大型放大模型，称为预制件，在照片中位于机织织物顶部。然后将预制件在称为拉丝塔的垂直炉中加热，并延伸到数十米的声学纤维上。拉制光纤后，将其连接到高压源上，该高压源会引导压电域来激活光纤。这种工艺也可以很容易地推广到商业生产水平。

当声波击中织物时，它会产生纳米级的波。光纤随波弯曲，同时光纤中的压电层变形并产生电荷，然后通过两根铜线将电荷传输到光纤的长度。

织物中的单根纤维可以检测声音，而几根纤维可以识别声音的方向。在概念验证中，两根声学纤维被编织成了一件棉质衬衫。研究人员利用声波传播到每根光纤的路径长度的差异来确定声源的方向。

除了充当麦克风外，当向衬衫施加小交流电压时，这种新织物还会产生可听频率范围内的声音。声源和接收器应用可能很有帮助，例如，对有听力障碍的人和想要监测未出生婴儿心跳的医生。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220324a/full/