麻省理工Nature：可穿戴的衣服“耳朵”实现听诊

CYM 2年前 (2022-03-17) 2484浏览

【导读】

织物无处不在，再加上纤维技术的最新突破，使之能够挑战织物的传统用途，以包含新的和潜在的用途。其中，织物最近已被证明可以存储能量、交流、加热、冷却、显示甚至存储和处理数字信息。受织物使用范围、其与人体无与伦比的接近性以及声学信号的重要性的推动，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甚至微弱的听觉信号。在织物使用方面的这种转变，如果织物能够调节声学通信，从身体中获取声学健康指标将是一件具有里程碑的应用。

实现灵敏的声学织物面临两个主要障碍。首先，传统织物因阻止声音而臭名昭著，其次，先前报道的能够将机械振动转换为电信号的纤维在空气中的敏感性较低。织物是由短纤维或长丝纤维制成的分层结构，这些纤维被捻成纱线，然后组装成织物。这种层次结构固有地建立了多个界面，这些界面分散和消散传播的声音，赋予织物消散声音特性。然而，在自然界中，纤维的目的通常是传递声音，而不是阻止声音

【成果掠影】

今日，麻省理工学院Yoel Fink教授（通讯作者）等人受听觉系统的启发，介绍了一种可用作灵敏的类似人类耳朵的织物，同时保留织物的传统特质，例如可机洗性和悬垂性。其中，织物介质由棉纱中的高杨氏模量纺织纱组成，将可听频率下10^-7大气压力波转换为低阶机械振动模式。同时，将热拉伸复合压电纤维织入织物，与织物相吻合，并将机械振动转换为电信号。更加重要的一点是，光纤灵敏度的弹性包层，它将机械应力集中在压电复合材料层中，该层具有大约46皮库仑/牛顿的高压电电荷系数，这是热拉伸过程的结果。响应激励的电输出和空间振动模式的同时测量表明，具有纳米振幅位移的织物振动模式是纤维电输出的来源。纤维占织物体积的0.1%以下，单根光纤拉线可实现数十平方米的织物麦克风。三种不同的应用证明了这项研究的有用性：具有双声学纤维的机织衬衫测量声脉冲的精确方向，在用作声音发射器和接收器的两种织物之间建立双向通信，以及听诊心脏声音信号的衬衫。

相关研究成果以“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”为题发表在Nature上。【核心创新点】

1.描述了实现声学织物的原理、材料和机制，由此产生的织物能够有效地检测可听声音；

2.在声音方向检测、声学通信和心音听诊中的应用说明了该技术的广泛适用性，推动了基于织物的人机界面等的广泛应用。

【数据概览】

图一、织物麦克风的设计和原理

在人类听觉系统中（图1)，鼓膜负责解决耳道空气和内耳流体之间的声阻抗不匹配问题，并且恰好是由高模量纤维构成的圆周和径向结构。该膜将声压转换为中耳骨的机械振动。然后将这种振动传递到内耳的耳蜗。在耳蜗中，毛束被偏转以最终将压力波转换为由神经系统接收的电信号。从听觉转导序列中汲取灵感，包括压力到机械到电激励的转换，以及纤维在听觉系统中的重要性，本文介绍了一种具有类似转导路径的方法，该方法利用纤维使织物能够有效地将压力波转换为电输出（图1）。

与复杂的三维（3D）听觉系统不同，本文寻求在平面结构中实现这种转换。织物介质将起到鼓膜的作用，将压力波转换为膜的机械振动。编织到织物中的光纤换能器将在提供电输出方面发挥与耳蜗类似的作用。考虑到光纤的保形特性，有效的耦合是有效转换所必需的，发生在织物和光纤之间以形成声学织物。使用均匀的膜作为最终织物介质的模型，首先构建一种压电纤维，该纤维可有效地将膜的振动转化为电输出。然后，采用激光测振仪和同时进行的电测量来研究膜和纤维的位移模式并阐明转换机制。图二、声学纤维的制造和表征图三、声学纤维膜表征图四、编织声学织物的制造和表征图五、集成到衬衫中的机织吸音织物的应用示例【成果启示】