智能织物，声学纤维——一种可以听诊的纤维织物 | Weekly New

互推小编 2023-05-21

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近年来，纤维技术的突破使人们能够在织物的传统用途上拓展新的应用，例如能量存储、通信、热量管理、储存和处理数字信息等。注意到织物广阔的使用范围、与人体良好的贴合性以及声音信号的重要性等，研究人员开始着手研究织物是否可以作为有效的声音收集器来检测和处理微弱的声音信号。

近期，麻省理工学院研究团队研发了一款声学织物，相关研究成果以“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”为题发表在《Nature》上。这种特殊纤维能有效探测声音，以我们耳朵的精密听觉系统为灵感，这种织物可以用来进行双向交流，辅助定向倾听，或监测心脏活动。

在材料设计过程中，最重要的环节就是如何将微弱的压电信号转化为电信号。在压电材料中，压电无机材料显示出高压电性能，但是由于刚性、易碎的特性使其很难加工成纤维。而聚合物表现出易加工特点，制备的纤维其形状和尺寸均可调整，但其压电性能远远低于无机材料。据此，研究团队试图开发复合材料即结合无机材料和高分子材料的优势来制备压电复合材料，通过它们各自的优势从而克服其局限性。

研究团队利用热拉伸策略制造了具有最佳压电性能的聚合物纤维。首先将材料加热至柔软状态，然后以恒定的速度拉伸，最后伸长成直径均匀的纤维。拉伸和极化的结合可以产生协同效应，使大分子链及其晶体结构在形成时沿着纤维的轴定向，以及诱导电偶极子，这导致响应于机械刺激的电荷流量增加，从而极大地改善了压电性能。制备的织物基体可像鼓膜一样高效地将声压转化为机械振动。然后，纤维传感器像耳蜗一样将机械振动转化为电信号，从而监测并记录声音。无论是在安静的图书馆中，还是在交通繁忙的道路上，这种织物都可以捕捉声音，并且还能确定诸如拍手之类的突然响声的精确方向。

▲ 受人体听觉系统启发而设计的声学织物

声学纤维织物的性能和形式使其具有广泛的应用，该柔性单纤维传感器能编织成织物，可以接收和发出声音，识别声音的来源，甚至监测心跳。

感知声音方位

如下图a所示，两个声学纤维被集成到衬衫中用于声音方位识别。在4米远的地方以不同的角度开始拍手，并记录每根纤维的电输出。研究人员通过两根声学纤维输出信号峰值之间的时间延迟来计算声波传导至两根纤维的路径长度的差异，精确地推导出了平均误差为1.73°的拍打方向。

用调制的交流电压播放可听的声音

如下图b所示，两件衬衫使双向声学通信在发射的语音和接收的语音之间具有匹配的时域波形和频域频谱图，这在帮助听障人士和水下通信等方面有很大的应用潜力。

生理监测

凭借该声学织物对振动的高灵敏度和与皮肤贴合度，这些织物也适合用于生理监测。下图c展示了一件可以有着听诊器作用的声学衬衫。该衬衫捕捉到的心跳信号的信噪比高达30分贝，传达了关于佩戴者心血管系统的大量信息。

▲ 声学织物的应用

❏ 总结

这种声学织物能够有效地检测声音，其性能与商业麦克风相当，通过进一步优化压电区域的微观结构和将多种纤维织入织物，该织物的性能有望进一步提高。除了被编织成织物外，所报道的声学纤维还与刺绣和缝纫等其他纺织工艺兼容，使多功能的声学织物成为可能。其声音方位检测、声学通信和心脏听诊三个应用也展示了这项技术的广泛适用性，在计算织物、国防安全、航空航天工程、通信、生物医学和机器人等领域有着极大的应用前景。

* 本文整理自《Nature》、Nature Portfolio、科学网、高分子科学前言、中国纺织科技、纤维说。文章仅代表作者观点，与清华经管创业者加速器立场无关，如有侵权，请联系小编删除。