麻省理工Nature：可穿戴的衣服“耳朵”實現聽診

CYM 1年前 (2022-03-17) 2090瀏覽

【導讀】

? ? ? ? 織物無處不在，再加上纖維技術的最新突破，使之能夠挑戰織物的傳統用途，以包含新的和潛在的用途。其中，織物最近已被證明可以存儲能量、交流、加熱、冷卻、顯示甚至存儲和處理數字信息。?受織物使用范圍、其與人體無與倫比的接近性以及聲學信號的重要性的推動，著手研究織物是否可以作為有效的聲音收集器來檢測和處理甚至微弱的聽覺信號。在織物使用方面的這種轉變，如果織物能夠調節聲學通信，從身體中獲取聲學健康指標將是一件具有里程碑的應用。

? ? ? ? ?實現靈敏的聲學織物面臨兩個主要障礙。首先，傳統織物因阻止聲音而臭名昭著，其次，先前報道的能夠將機械振動轉換為電信號的纖維在空氣中的敏感性較低。織物是由短纖維或長絲纖維制成的分層結構，這些纖維被捻成紗線，然后組裝成織物。這種層次結構固有地建立了多個界面，這些界面分散和消散傳播的聲音，賦予織物消散聲音特性。然而，在自然界中，纖維的目的通常是傳遞聲音，而不是阻止聲音

【成果掠影】

? ? ? ? ?今日，麻省理工學院Yoel Fink教授（通訊作者）等人受聽覺系統的啟發，介紹了一種可用作靈敏的類似人類耳朵的織物，同時保留織物的傳統特質，例如可機洗性和懸垂性。其中，織物介質由棉紗中的高楊氏模量紡織紗組成，將可聽頻率下10^-7大氣壓力波轉換為低階機械振動模式。同時，將熱拉伸復合壓電纖維織入織物，與織物相吻合，并將機械振動轉換為電信號。更加重要的一點是，光纖靈敏度的彈性包層，它將機械應力集中在壓電復合材料層中，該層具有大約46皮庫侖/牛頓的高壓電電荷系數，這是熱拉伸過程的結果。響應激勵的電輸出和空間振動模式的同時測量表明，具有納米振幅位移的織物振動模式是纖維電輸出的來源。纖維占織物體積的0.1%以下，單根光纖拉線可實現數十平方米的織物麥克風。三種不同的應用證明了這項研究的有用性：具有雙聲學纖維的機織襯衫測量聲脈沖的精確方向，在用作聲音發射器和接收器的兩種織物之間建立雙向通信，以及聽診心臟聲音信號的襯衫。

? ? ? ? 相關研究成果以“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”為題發表在Nature上。【核心創新點】

1.描述了實現聲學織物的原理、材料和機制，由此產生的織物能夠有效地檢測可聽聲音；

2.在聲音方向檢測、聲學通信和心音聽診中的應用說明了該技術的廣泛適用性，推動了基于織物的人機界面等的廣泛應用。

【數據概覽】

圖一、織物麥克風的設計和原理

? ? ? ? ?在人類聽覺系統中（圖1)，鼓膜負責解決耳道空氣和內耳流體之間的聲阻抗不匹配問題，并且恰好是由高模量纖維構成的圓周和徑向結構。該膜將聲壓轉換為中耳骨的機械振動。然后將這種振動傳遞到內耳的耳蝸。在耳蝸中，毛束被偏轉以最終將壓力波轉換為由神經系統接收的電信號。從聽覺轉導序列中汲取靈感，包括壓力到機械到電激勵的轉換，以及纖維在聽覺系統中的重要性，本文介紹了一種具有類似轉導路徑的方法，該方法利用纖維使織物能夠有效地將壓力波轉換為電輸出（圖1）。

? ? ? ? ?與復雜的三維（3D）聽覺系統不同，本文尋求在平面結構中實現這種轉換。織物介質將起到鼓膜的作用，將壓力波轉換為膜的機械振動。編織到織物中的光纖換能器將在提供電輸出方面發揮與耳蝸類似的作用。考慮到光纖的保形特性，有效的耦合是有效轉換所必需的，發生在織物和光纖之間以形成聲學織物。使用均勻的膜作為最終織物介質的模型，首先構建一種壓電纖維，該纖維可有效地將膜的振動轉化為電輸出。然后，采用激光測振儀和同時進行的電測量來研究膜和纖維的位移模式并闡明轉換機制。圖二、聲學纖維的制造和表征圖三、聲學纖維膜表征圖四、編織聲學織物的制造和表征圖五、集成到襯衫中的機織吸音織物的應用示例【成果啟示】