受人耳启发，一种新型声学织物将可听声音转换为电信号作者：麻省理工学院 Jennifer Chu声学纤维和带有纤维预制件的织物。学分：麻省理工学院芬克实验室/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren听力有问题？把你的衬衫卷起来。这就是麻省理工学院的工程师和罗德岛设计学院的合作者开发的一种新的“声学织物”背后的想法。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，类似于我们的耳朵听到的方式。

所有织物都会响应可听见的声音而振动，尽管这些振动是纳米级的——太小了，通常无法感知。为了捕捉这些难以察觉的信号，研究人员创造了一种柔性纤维，当它被编织成织物时，它会像海洋表面的海藻一样与织物一起弯曲。

这种纤维是由一种“压电”材料设计的，这种材料在弯曲或机械变形时会产生电信号，为织物提供一种将声音振动转换为电信号的方法。

这种织物可以捕捉从安静的图书馆到繁忙的道路交通的分贝范围内的声音，并确定诸如拍手之类的突然声音的精确方向。当织入衬衫的衬里时，这种织物可以检测到穿着者细微的心跳特征。纤维也可以用来产生声音，例如录音，另一种织物可以检测到。

一项详细介绍该团队设计的研究发表在《自然》杂志上。主要作者 Wei Yan 作为麻省理工学院博士后帮助开发了这种纤维，他看到了能听到的织物的许多用途。

“穿着声学服装，你可以通过它来接听电话并与他人交流，”现为新加坡南洋理工大学助理教授的严说。“此外，这种面料可以在不知不觉中与人体皮肤接触，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。”

Yan 的合著者包括 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，以及来自罗德岛设计学院的合作者（ RISD)、凯斯西储大学的朱磊、威斯康星大学麦迪逊分校的 Chu Ma 和美国陆军环境医学研究所的 Reed Hoyt。织布机上的吸音织物。学分：麻省理工学院芬克实验室/Elizabeth Meiklejohn RISD声音分层织物传统上用于抑制或减少声音；例子包括音乐厅的隔音和我们生活空间的地毯。但 Fink 和他的团队多年来一直致力于重塑面料的传统角色。他们专注于扩展材料的特性以使织物更具功能性。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。

可听见的声音作为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，鼓膜或耳膜，使用圆形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，耳蜗将这些波转换为由大脑感知和处理的电信号。

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”。他们的研究带来了两个重要的发现：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。而且，该团队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纤维。

考虑到这些指导方针，该团队开发了一种称为预制件的分层材料块，由压电层以及增强材料响应声波振动的成分制成。得到的预制棒大约有厚记号笔那么大，然后被加热并像太妃糖一样被拉成 40 米长的细纤维。

轻量级聆听

研究人员通过将纤维附着在一块悬浮的聚酯薄膜上来测试纤维对声音的敏感性。他们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。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。作为响应，纤维振动并产生与播放的声音成比例的电流。

“这表明薄膜上纤维的性能可与手持式麦克风相媲美，”Noel 说。

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。声学纤维和带有纤维预制件的织物。学分：麻省理工学院芬克实验室/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren“感觉就像一件轻便的夹克——比牛仔布更轻，但比衬衫重，”合著者伊丽莎白·梅克尔约翰说，她是 RISD 的一名研究生，他使用标准织布机编织这种面料。

她将一块面板缝在衬衫的背面，团队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的敏感性。

“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，”Noel 指出。

研究人员设想，定向声音传感织物可以帮助听力受损的人在嘈杂的环境中收听扬声器。

该团队还将单根纤维缝合到衬衫的内衬上，就在胸部区域上方，发现它准确地检测到了健康志愿者的心跳，以及心脏 S1 和 S2 或“lub-dub”特征的细微变化。除了监测自己的心跳外，Fink 还看到了将声学织物融入孕妇装以帮助监测婴儿胎儿心跳的可能性。

最后，研究人员将光纤的功能颠倒过来，不再用作声音检测器，而是用作扬声器。他们记录了一串口语，并以施加电压的形式将记录馈送到光纤。光纤将电信号转换为可听见的振动，第二根光纤能够检测到这种振动。

除了可穿戴助听器、交流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。

“它可以与航天器皮肤集成以聆听（积累）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。这种纤维正在开辟广泛的机会。”

“这项研究的成果为织物提供了一种全新的方式来倾听我们的身体和周围环境，”芬克说。“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令我惊叹，这与在大流行期间开展的这项工作特别相关。”