受人耳的啟發(fā)，麻省理工學(xué)院的工程師和羅德島設(shè)計(jì)學(xué)院的合作者開(kāi)發(fā)了一種將可聽(tīng)到的聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的新“聲學(xué)織物”。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種像麥克風(fēng)一樣工作的織物，首先將聲音轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，類似于我們的耳朵如何聽(tīng)。

所有的織物都會(huì)對(duì)可聽(tīng)到的聲音做出反應(yīng)，盡管這些振動(dòng)是納米級(jí)的，一般情況下無(wú)法感覺(jué)到。為了捕捉這些難以察覺(jué)的信號(hào)，研究人員創(chuàng)造了一種靈活的纖維，當(dāng)它被織入織物時(shí)，會(huì)像海面上的海草一樣隨織物彎曲。

這種纖維是由一種“壓電”材料設(shè)計(jì)的，當(dāng)彎曲或機(jī)械變形時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)，為織物提供了一種將聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的方法。

這種織物可以捕捉到從安靜的圖書館到繁忙的道路交通等各種分貝的聲音，并確定手拍等突發(fā)聲音的精確方向。當(dāng)織入襯衫的襯里時(shí)，這種織物可以檢測(cè)到穿著者微妙的心跳特征。這種纖維也可以被制成產(chǎn)生聲音，如口語(yǔ)的錄音，另一種織物可以檢測(cè)到。

2022年3月16日，《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)詳細(xì)介紹該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的研究。主要作者Wei Yan作為麻省理工學(xué)院的一名博士后，幫助開(kāi)發(fā)了這種纖維，他認(rèn)為能聽(tīng)到聲音的織物有很多用途。

Yan說(shuō)：“穿上一件聲學(xué)服裝，你可能會(huì)通過(guò)它來(lái)接聽(tīng)電話和與他人交流，”他現(xiàn)在是新加坡南洋理工大學(xué)的副教授。“此外，這種織物可以不知不覺(jué)地與人體皮膚對(duì)接，使穿戴者能夠以舒適、連續(xù)、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期的方式監(jiān)測(cè)他們的心臟和呼吸狀況。”

Yan的共同作者包括Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono，以及麻省理工學(xué)院的John Joannopoulos 和 Yoel Fink教授。還有羅德島設(shè)計(jì)學(xué)院(RISD)的Anais Missakian和Elizabeth Meiklejohn，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的Lei Zhu，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Chu Ma，以及美國(guó)陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所的Reed Hoyt。

織物傳統(tǒng)上被用來(lái)抑制或減少聲音;例子包括音樂(lè)廳的隔音材料和我們生活空間的地毯。但是Fink和他的團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直致力于重新塑造織物的傳統(tǒng)角色。他們專注于擴(kuò)展材料的特性，使織物更具功能性。在尋找制造聲音感應(yīng)織物的方法時(shí)，該團(tuán)隊(duì)從人耳中獲得了靈感。

可聽(tīng)的聲音以輕微的壓力波在空氣中傳播。當(dāng)這些波到達(dá)我們的耳朵時(shí)，一個(gè)極其敏感和復(fù)雜的三維器官--鼓膜，使用一個(gè)圓形的纖維層將壓力波轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)。這些振動(dòng)通過(guò)小骨頭進(jìn)入內(nèi)耳，在那里耳蝸將這些波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由大腦感知和處理。

受人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)試圖創(chuàng)造一種柔軟、耐用、舒適并能探測(cè)聲音的織物“耳朵”。他們的研究導(dǎo)致了兩個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。這種織物必須包含堅(jiān)硬或“高模量”的纖維，以有效地將聲波轉(zhuǎn)化為振動(dòng)。而且，研究小組必須設(shè)計(jì)一種能夠與織物一起彎曲的纖維，并在此過(guò)程中產(chǎn)生電力輸出。

考慮到這些準(zhǔn)則，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種被稱為預(yù)制件的分層材料塊，由壓電層以及增強(qiáng)材料對(duì)聲波的振動(dòng)的成分組成。由此產(chǎn)生的預(yù)制件，大約有一個(gè)馬克筆的大小，然后被加熱并像太妃糖一樣拉成40米長(zhǎng)的薄纖維。

研究人員通過(guò)將光纖連接到懸掛的膠布上，測(cè)試了它對(duì)聲音的敏感性。他們用激光來(lái)測(cè)量片材的振動(dòng)--進(jìn)而測(cè)量纖維--對(duì)通過(guò)附近揚(yáng)聲器播放的聲音的反應(yīng)。聲音的分貝在安靜的圖書館和繁忙的公路交通之間變化。作為回應(yīng)，纖維振動(dòng)并產(chǎn)生與播放的聲音成比例的電流。

Noel說(shuō)：“這表明膜上纖維的性能與手持麥克風(fēng)相當(dāng)。”

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將纖維與傳統(tǒng)紗線編織在一起，生產(chǎn)出可懸垂、可機(jī)洗的織物面板。Meiklejohn說(shuō)：“它的感覺(jué)幾乎就像一件輕量級(jí)的夾克--比牛仔褲輕，但比禮服襯衫重，”她用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)織機(jī)織出了這種織物。

她將一塊面板縫在一件襯衫的背面，研究小組通過(guò)站在與襯衫不同角度的情況下拍手來(lái)測(cè)試該面料對(duì)方向性聲音的敏感性。

Noel指出：“在3米遠(yuǎn)的地方，織物能夠檢測(cè)到1度以內(nèi)的聲音角度。”

研究人員設(shè)想，定向聲音感應(yīng)織物可以幫助那些有聽(tīng)力損失的人在嘈雜的環(huán)境中調(diào)整到揚(yáng)聲器。

研究小組還將一根纖維縫在襯衫的內(nèi)襯上，就在胸部區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)它能準(zhǔn)確地檢測(cè)到健康志愿者的心跳，以及心臟S1和S2的微妙變化。除了監(jiān)測(cè)自己的心跳外，F(xiàn)ink認(rèn)為有可能將這種聲學(xué)織物納入孕婦服裝，以幫助監(jiān)測(cè)嬰兒的胎兒心跳。

最后，研究人員顛覆了纖維的功能，使其不再作為聲音探測(cè)器，而是作為一個(gè)揚(yáng)聲器。他們錄制了一些口語(yǔ)，并以外加電壓的形式將錄音輸入到纖維中。纖維將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可聽(tīng)的振動(dòng)，第二根纖維能夠檢測(cè)到這些振動(dòng)。

除了可穿戴的助聽(tīng)器、可交流的衣服和跟蹤生命體征的服裝，該團(tuán)隊(duì)還看到了衣服以外的應(yīng)用。

“它可以與航天器的外層結(jié)合，以傾聽(tīng)(積累的)空間塵埃，或嵌入建筑物以檢測(cè)裂縫或應(yīng)變，”Yan提議。“它甚至可以被編織成一張智能網(wǎng)，以監(jiān)測(cè)海洋中的魚類。該纖維正在開(kāi)啟廣泛的機(jī)會(huì)。”

Fink說(shuō)：“這項(xiàng)研究的成果實(shí)際上為織物提供了一種傾聽(tīng)我們身體和周圍環(huán)境的新方法。我們的學(xué)生、博士后和工作人員對(duì)推進(jìn)研究的奉獻(xiàn)精神一直讓我驚嘆不已，這與這項(xiàng)在大流行期間進(jìn)行的工作尤其相關(guān)。”

標(biāo)簽： 轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 聲學(xué)織物 可聽(tīng)到的聲音