Nature:MIT團隊造全新聲感織物,這件「毛衣」可以聽到你的心跳

近日,麻省理工學院(MIT)的工程師們和 Rhode Island 設計學院合作,開發了一種全新的「聲感織物」,這種織物材料,不僅能夠像麥克風一樣,「聽到」聲音,還能像揚聲器一樣,「發出」聲音。

從安靜的圖書館,到繁忙的交通噪音,這種聲感織物都可以捕捉這些分貝範圍內的聲音,並能夠確定諸如拍手之類聲音的精確方向。當把這種材料織入襯衫的襯裡時,還可以檢測到穿著者細微的心跳特徵。

Nature:MIT團隊造全新聲感織物,這件「毛衣」可以聽到你的心跳

該成果的詳細介紹,發表在最新一期的《自然》雜誌上。

論文第一作者、麻省理工學院博士後 Wei Yan(現為新加坡南洋理工大學助理教授)表示,這項研究的成果,提供了一種全新的方式來傾聽我們的身體和周圍環境,將產生許多超乎想象的應用。

「穿著聲感服裝,你可以透過它來接聽電話,與他人交流。此外,這種織物還可以與人體面板接觸,使佩戴者能夠以舒適、連續、實時和長期的方式監測自己的心臟和呼吸狀況。」Fink 說。

受人耳啟發的聲感材料

傳統織物,往往用於抑制或阻隔聲音。例如音樂廳的隔音層,以及我們生活中的地毯。但 MIT 的研究團隊多年來一直致力於重塑織物的傳統角色。他們專注於擴充套件材料的特性,比如使織物更具功能性。

此次在尋找聲音感應織物的方法時,人耳的「聽聲原理」給了研究人員很大的靈感。

聲音,其實是一種空氣中傳播的壓力波。當這些聲波到達我們的耳朵時,極其敏感和複雜的三維器官——鼓膜,將壓力波轉化為機械振動,然後這些振動透過聽小骨進入內耳,耳蝸再將這些振動波轉換為可由大腦感知和處理的電訊號。

儘管有些聲音很小,平時我們無法感知,但都會引起相應的振動,只不過有時候這種振動是奈米級別的。為了捕捉到這些難以察覺的振動訊號,受人類聽覺系統的啟發,該團隊試圖創造一種柔軟、耐用、舒適且能夠檢測聲音的織物「耳朵」。

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(來源:

Nature

為了實現這一目的,他們發現:這種織物必須加入堅硬的或「高模量」纖維,才能有效地將聲波轉化為振動;其次,必須設計一種可以隨織物彎曲並在此過程中產生電輸出的特殊纖維。

考慮到這些前提條件,該團隊開發了一種稱為預製件的分層材料塊,由壓電層和響應聲波振動的增強材料成分製成。得到的預製材料塊大約有記號筆那麼大,然後被加熱並像軟糖一樣被拉成 40 米長的細纖維。

實際上,這種纖維是由一種「壓電(piezoelectric)」材料設計,在彎曲或機械變形時會產生電訊號,從而為織物提供一種將聲音振動轉換為電訊號的方法。而這種柔性纖維被編織成織物時,也能夠像海洋中的海藻一樣,與織物一起任意彎曲。

不僅能聽聲,還能發聲

為了測試聲感纖維的敏感性,研究人員將聲感纖維連線到一塊懸浮的聚酯薄膜上,然後使用鐳射來測量薄片的振動——進而測量纖維的振動——以響應透過附近揚聲器播放的聲音。

雖然在安靜的圖書館和繁忙的道路交通之間,聲音的分貝有所不同,但聲感纖維都能夠相應振動,併產生與播放的聲音成比例的電流。

「這表明,薄膜上聲感纖維的效能可與手持式麥克風相媲美。」研究論文作者之一,MIT 化學工程系的 Grace Noel 說。

Nature:MIT團隊造全新聲感織物,這件「毛衣」可以聽到你的心跳

接下來,研究團隊將特製聲感纖維與傳統紗線編織在一起,生產出可懸垂、可機洗的織物面料。研究人員表示,合成面料感覺就像一件輕便的夾克,比牛仔布更輕,但比正裝襯衫重。

隨後,研究人員將一塊麵料縫在襯衫的裡面,透過在與襯衫不同角度站立時拍手,來測試織物對定向聲音感知的敏感性。結果表明,這種織物能夠在 3 米外的距離內,檢測到 1 度以內的聲音角度。

研究人員認為,這種能夠定向感知聲音的感測織物,可以幫助聽力受損的人在嘈雜的環境中收聽外界聲音。

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(來源:MIT)

此外,研究團隊還在襯衫的內襯上縫合一根纖維,位置大概在胸部區域上方,結果發現該聲感材料能夠準確檢測健康志願者的心跳,以及心臟跳動特徵的細微變化。

除了監測心跳外,研究人員認為將聲感織物融入孕婦裝,還可以幫助監測胎兒心跳。

更有意思的是,研究人員提出新的設想,如果將聲感纖維的功能顛倒過來,不再用作聲音檢測器,而是用作揚聲器,效果會怎樣呢?

為此,研究人員先錄下一串列埠語,並以施加電壓的形式將記錄饋送到聲感纖維,發現聲感纖維能夠將電訊號轉換為可聽見的振動,而再用另一根聲感纖維作為「耳朵」,順利檢測到聲感纖維發出的聲音振動。

除了可穿戴助聽器、可語音交流的服裝,以及可追蹤生命體徵的服裝外,該團隊還看到了更多的應用可能。

「它可以與航天器服裝整合,以監測太空塵埃,或嵌入建築物中,以檢測裂縫或應變,」Yan 建議道。「它甚至可以編織成一個智慧網來監測海洋中的魚類。由此可見,聲感纖維正在開啟一個極大的機遇。」

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