受人類聽覺系統的啟發首次通過衣服“聽見”聲音

衣服可以像人的“耳朵”一樣，作為聲音“ 收集器” 嗎？ 也就是說，人們可以通過衣服就能實現接聽電話、定位、聽診心肺腸胃等生理信號、幫助聽覺障礙者“聽見”，甚至還能對太空塵埃的聲音進行監測等多種功能。

以上情景并不是科幻電影和小說的虛擬情節，而是一項最新的科研進展。

近日，麻省理工學院團隊研發了一種全新的聲學織物，首次利用納米級震動的單根智能纖維，實現了對微弱的可聽的聲音信號的收集、監測，其最小的探測分貝為0.002Pa（40分貝），并可以監聽心臟極其微弱的聲音信號。

這種聲學織物可“聽見”的原理是通過兩層“轉變”，首先把聲壓轉變成機械振動，然后再將機械振動轉變為電信號， 這相當于將無形的“ 助聽器” 或“麥克風”嵌入在衣服中。

北京時間2022年3月17日，相關論文以《聲學織物通過納米級振動的單根纖維實現》為題發表在《自然》上。

約爾·芬克教授為論文通訊作者，新加坡南洋理工大學電子與電氣工程學院及材料科學與工程學院雙聘助理教授、博士生導師嚴威博士為論文第一作者。

顛覆織物在聲學領域的應用，3000次循環變形后仍保持穩定

傳統的織物（衣服）一直被用作高效的聲音吸收器，把承載著有效信息的聲壓（機械能）耗散為無用的熱能。

2018年， 該團隊提出全新概念設想：能否顛覆幾千年來織物在聲學領域的應用？也就是說，織物不是能量消耗的載體，而是像人的耳朵一樣，將聲音轉化為電信號。

織物傳聲器的設計與原理

然而，在實際的研究過程中進展并不順利，因為將衣服中的納米級機械振動轉化為電信號是全新的概念，并沒有太多報道文獻可參考，相當于“一片空白” 。因此， 他們遇到的第一個難題是——纖維該如何設計與制備。

他們采用了一種可大規模制備的熱拉技術，而熱拉技術的核心是熱塑性變形，這與“拉面條”的原理類似。纖維中的材料在拉應力下會變得越來越細，但是，不同材料的相對位置和結構卻保持不變，拉伸長度可至幾百米甚至上千米。

實際上， 制備該聲學織物的核心紗線由6種不同的材料組成，每種材料“熱塑變形能力”也不盡相同。其中，可發生熱塑性變形的是壓電的基體材料，而不能發生熱塑性變形則是楊氏模量非常高的壓電納米顆粒。

“這導致紗線在拉制加工的過程中，在納米粒子周圍形成孔隙，也就是形成了非常新穎的鐵電柱極體。通過引入這種多孔結構，使纖維具備非常高的壓電指標，從而對納米級的微弱振動十分敏感。”嚴威說。

實現6種材料的流體力學性能以及熱性能統一并非易事。嚴威表示，為解決材料在拉伸過程中的斷裂、失穩等問題，他大概用了8個月時間專門攻克該項難題。

除了纖維材料的微觀結構， 纖維的宏觀結構設計也顯著影響纖維的性能。在研究過程中嚴威發現，這種纖維外的包覆層必須是軟的才能實現較好的性能，而里邊的壓電材料是硬的。因此最終形成一種“外柔內剛”的結構，實現了高應變、高輸出電壓的性能。

聲學纖維制造和表征

第二個難題是，纖維紗線的機械性能穩定性。為探究這個問題，團隊使用了計算機模擬，以更好地進行結構各方面指標的優化。最終，這種智能纖維在3000次的循環變形后電學性能仍保持不變，并實現了1 0次機洗測試后性能穩定的技術指標。

第三個難題是，如何用聲學的方法表征這一全新的聲學織物。由于織物的振動對邊界條件極其敏感，如何控制邊界條件成了當時研究中的一大技術瓶頸。在嘗試了一系列方法后，通過長期探索和借助多普勒激光測振儀，嚴威得到了理想的結果，因此，最終得以清楚地闡明了聲學織物的工作原理。

“我們的工作建立了制備這類全新聲學織物一套初步的標準，涵蓋纖維材料、纖維結構設計與制備、織物材料、織物結構設計與制備、織物的聲學表征與性能優化策略。” 嚴威表示。

可在多領域應用，未來或將與柔性電子、腦機接口、人工智能等技術融合發展

不同程度的聽力障礙已成為不可忽視的常見疾病。根據世界衛生組織2021年發布的《世界聽力報告》，全球超過15億人遭受某種程度的聽力損失。到2050年， 這一數字可能會增加到2 5億。 并且，聽力損失仍然是世界上第三大殘疾原因。

通常，聽力障礙人群借助助聽器、植入物、治療手段、手語和字幕來解決這種困擾。但這些手段從便利性、舒適性以及成本方面都有天然的阻礙。因此，該團隊用聲學織物為聽力障礙人群提供了一種更為舒適、便捷、低價的解決途徑。

不局限于上述群體，對于視覺障礙人群、槍聲檢測、救援被困者等領域，這種聲學織物可幫助他們快速、準確地定位，以獲取更可靠的聲源信息。

此外，在航天航空領域，該團隊還向美國國家航空航天局提供這種聲學織物，通過聲音判斷太空環境中高速運轉的塵埃、微流星體、太空殘骸等。據悉，目前， 第一批聲學織物樣品已經“ 送上天”，正在準備第二批樣品的測試。

簡單來說，一方面，檢測聲音是外界通過聲學織物對機械振動的“輸入”和電信號的輸出，在這里，聲學織物的功能相當于“麥克風”——替人們“聽見”。

另一方面， 通過電壓的輸入， 聲學織物還能將內在的聲音“輸出”到外界，在這里，聲學織物相當于“揚聲器”發射聲音——替人們“說話”。

嚴威表示， 該聲學織物可以有不同的“輸入”或者“輸出”功能，即可實現“聽見”和“說話”的不同功能。未來，通過腦機接口等技術提取大腦中的語言信號，將該信號調制為電信號，然后將該信號輸入到衣服中，便可輸出聲音，相當于讓語言障礙者“說話”。

機織吸聲織物的制造與表征

也就是說， 穿上這樣的衣服， 可以幫助語言障礙者或聽力障礙者更好地建立有效的溝通途徑。并且，使用者還可以通過“開關”，根據需求調節音量。

對人體內生理信號的即時監測方面，聲學織物相當于“聽診器”。例如，監測人的心臟、腸、胃、肺等聲音。如果將這種聲學織物應用在孕婦服，還能提供胎兒的胎心監護等。

并且，聲學織物還可與前沿技術融合，當檢測數據形成一定規模后，可通過人工智能分析，提取出數據中的異常點而判斷疾病。再將數據通過無線通訊技術遠程傳導到APP中，方便醫生更全面、便捷地監測人體健康信號，對疾病的早期預防、病理分析都將起到關鍵性作用。

聲學織物的綜合應用實例

在實際應用中，將機械振動轉化為電信號主要靠一根熱拉的紗線，其占整體衣料的0.1%，并不需要紗線在全部衣料中使用。

從材料成本角度，聲學織物中只有壓電材料略貴。據估算，1㎡聲學織物的成本在1 0美元左右。目前，美國相關公司正在對聲學織物進行大規模制備以及各性能指標方面的優化。

博士論文獲得唯一獎項，期待將智能織物變成計算機或手機

嚴威具有材料與電子器件交叉科研背景優勢，他本科畢業于中南大學粉末冶金研究院，導師為粉末冶金專家劉詠教授;隨后在中國科學院金屬研究所完成了碩士階段的學習， 碩士導師為鋼鐵材料專家李殿中研究員。

2013年，嚴威敏銳地察覺到柔性電子、可穿戴電子、人工智能等結合的技術是未來發展的前沿。因此，他選擇前往瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）材料科學與工程系攻讀博士學位，因博士畢業論文優異，成為獲得EPFL 2019 Prof. René Wasserman Award獎的唯一獲獎人。在麻省理工學院完成博士后研究后，他加入新加坡南洋理工大學任教。

嚴威

在某個領域擁有比較好的科研基礎，是進入交叉領域的優勢。嚴威在本科階段的畢業設計是關于金屬玻璃，該材料的原子排列是無序的狀態，與普通金屬在結構上面的規則狀態截然相反。在讀博期間，他首次將這種金屬玻璃引入到智能纖維領域，并用這種智能纖維用作腦機接口技術的神經探針。

目前，嚴威課題組主要研究方向為特種光纖、電子與光電子纖維、可穿戴電子、軟電子、纖維機器人與智能織物。

嚴威認為，通過交叉學科知識的融合，不僅可以探索出新的前沿技術解決關鍵瓶頸問題與重大科學挑戰，而且還能開創新的領域。“通過與其他技術的有機結合，讓這種聲學織物越來越智能化，成為電子器件或系統，或許不久的將來我們可以實現將智能織物做成手機或者電腦。”他說。

電腦、手機與聲學織物看似不同，實際上可通過功能的“拆分”來理解。首先，電腦或手機一般通過鍵盤實現輸入，而計算織物可以通過聲音輸入信號。

嚴威與麻省理工學院團隊

工作之余，嚴威與團隊在阿爾卑斯山徒步

其次，電腦或手機具備存儲功能，并可數據進行加工處理。實際上，嚴威與團隊此前已經開發出了可以對信號存儲與分析的智能衣服。通過訓練有素的神經網絡（在纖維中存儲1650個神經元連接）衣服可以實時推斷穿著者的活動，準確度達96%。因此，整合中央處理器的衣服將自帶“推理與計算”的功能。

最后，電腦或手機通過數據處理將結果輸出在顯示屏，計算織物可以通過聲音的輸出而輸出結果。另一方面， 在智能織物領域，已經有相關科研成果將智能織物制作為顯示屏。

嚴威認為，讓衣服可以看、聽、說、通訊、發電、儲電、存儲、記憶、分析、推理， 最終變成計算機或手機是他的終極目標。