受人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)首次通過(guò)衣服“聽(tīng)見(jiàn)”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(shuō)，人們可以通過(guò)衣服就能實(shí)現(xiàn)接聽(tīng)電話、定位、聽(tīng)診心肺腸胃等生理信號(hào)、幫助聽(tīng)覺(jué)障礙者“聽(tīng)見(jiàn)”，甚至還能對(duì)太空塵埃的聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)等多種功能。

以上情景并不是科幻電影和小說(shuō)的虛擬情節(jié)，而是一項(xiàng)最新的科研進(jìn)展。

近日，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種全新的聲學(xué)織物，首次利用納米級(jí)震動(dòng)的單根智能纖維，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱的可聽(tīng)的聲音信號(hào)的收集、監(jiān)測(cè)，其最小的探測(cè)分貝為0.002Pa（40分貝），并可以監(jiān)聽(tīng)心臟極其微弱的聲音信號(hào)。

這種聲學(xué)織物可“聽(tīng)見(jiàn)”的原理是通過(guò)兩層“轉(zhuǎn)變”，首先把聲壓轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，然后再將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 這相當(dāng)于將無(wú)形的“ 助聽(tīng)器” 或“麥克風(fēng)”嵌入在衣服中。

北京時(shí)間2022年3月17日，相關(guān)論文以《聲學(xué)織物通過(guò)納米級(jí)振動(dòng)的單根纖維實(shí)現(xiàn)》為題發(fā)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(xué)電子與電氣工程學(xué)院及材料科學(xué)與工程學(xué)院雙聘助理教授、博士生導(dǎo)師嚴(yán)威博士為論文第一作者。

顛覆織物在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，3000次循環(huán)變形后仍保持穩(wěn)定

傳統(tǒng)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(jī)械能）耗散為無(wú)用的熱能。

2018年， 該團(tuán)隊(duì)提出全新概念設(shè)想：能否顛覆幾千年來(lái)織物在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用？也就是說(shuō)，織物不是能量消耗的載體，而是像人的耳朵一樣，將聲音轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

織物傳聲器的設(shè)計(jì)與原理

然而，在實(shí)際的研究過(guò)程中進(jìn)展并不順利，因?yàn)閷⒁路械募{米級(jí)機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)是全新的概念，并沒(méi)有太多報(bào)道文獻(xiàn)可參考，相當(dāng)于“一片空白” 。因此， 他們遇到的第一個(gè)難題是——纖維該如何設(shè)計(jì)與制備。

他們采用了一種可大規(guī)模制備的熱拉技術(shù)，而熱拉技術(shù)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(yīng)力下會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，但是，不同材料的相對(duì)位置和結(jié)構(gòu)卻保持不變，拉伸長(zhǎng)度可至幾百米甚至上千米。

實(shí)際上， 制備該聲學(xué)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(fā)生熱塑性變形的是壓電的基體材料，而不能發(fā)生熱塑性變形則是楊氏模量非常高的壓電納米顆粒。

“這導(dǎo)致紗線在拉制加工的過(guò)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(guò)引入這種多孔結(jié)構(gòu)，使纖維具備非常高的壓電指標(biāo)，從而對(duì)納米級(jí)的微弱振動(dòng)十分敏感。”嚴(yán)威說(shuō)。

實(shí)現(xiàn)6種材料的流體力學(xué)性能以及熱性能統(tǒng)一并非易事。嚴(yán)威表示，為解決材料在拉伸過(guò)程中的斷裂、失穩(wěn)等問(wèn)題，他大概用了8個(gè)月時(shí)間專門攻克該項(xiàng)難題。

除了纖維材料的微觀結(jié)構(gòu)， 纖維的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也顯著影響纖維的性能。在研究過(guò)程中嚴(yán)威發(fā)現(xiàn)，這種纖維外的包覆層必須是軟的才能實(shí)現(xiàn)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(nèi)剛”的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高應(yīng)變、高輸出電壓的性能。

聲學(xué)纖維制造和表征

第二個(gè)難題是，纖維紗線的機(jī)械性能穩(wěn)定性。為探究這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)使用了計(jì)算機(jī)模擬，以更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)各方面指標(biāo)的優(yōu)化。最終，這種智能纖維在3000次的循環(huán)變形后電學(xué)性能仍保持不變，并實(shí)現(xiàn)了1 0次機(jī)洗測(cè)試后性能穩(wěn)定的技術(shù)指標(biāo)。

第三個(gè)難題是，如何用聲學(xué)的方法表征這一全新的聲學(xué)織物。由于織物的振動(dòng)對(duì)邊界條件極其敏感，如何控制邊界條件成了當(dāng)時(shí)研究中的一大技術(shù)瓶頸。在嘗試了一系列方法后，通過(guò)長(zhǎng)期探索和借助多普勒激光測(cè)振儀，嚴(yán)威得到了理想的結(jié)果，因此，最終得以清楚地闡明了聲學(xué)織物的工作原理。

“我們的工作建立了制備這類全新聲學(xué)織物一套初步的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋纖維材料、纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備、織物材料、織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備、織物的聲學(xué)表征與性能優(yōu)化策略?！?嚴(yán)威表示。

可在多領(lǐng)域應(yīng)用，未來(lái)或?qū)⑴c柔性電子、腦機(jī)接口、人工智能等技術(shù)融合發(fā)展

不同程度的聽(tīng)力障礙已成為不可忽視的常見(jiàn)疾病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織2021年發(fā)布的《世界聽(tīng)力報(bào)告》，全球超過(guò)15億人遭受某種程度的聽(tīng)力損失。到2050年， 這一數(shù)字可能會(huì)增加到2 5億。 并且，聽(tīng)力損失仍然是世界上第三大殘疾原因。

通常，聽(tīng)力障礙人群借助助聽(tīng)器、植入物、治療手段、手語(yǔ)和字幕來(lái)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(tuán)隊(duì)用聲學(xué)織物為聽(tīng)力障礙人群提供了一種更為舒適、便捷、低價(jià)的解決途徑。

不局限于上述群體，對(duì)于視覺(jué)障礙人群、槍聲檢測(cè)、救援被困者等領(lǐng)域，這種聲學(xué)織物可幫助他們快速、準(zhǔn)確地定位，以獲取更可靠的聲源信息。

此外，在航天航空領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)還向美國(guó)國(guó)家航空航天局提供這種聲學(xué)織物，通過(guò)聲音判斷太空環(huán)境中高速運(yùn)轉(zhuǎn)的塵埃、微流星體、太空殘骸等。據(jù)悉，目前， 第一批聲學(xué)織物樣品已經(jīng)“ 送上天”，正在準(zhǔn)備第二批樣品的測(cè)試。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一方面，檢測(cè)聲音是外界通過(guò)聲學(xué)織物對(duì)機(jī)械振動(dòng)的“輸入”和電信號(hào)的輸出，在這里，聲學(xué)織物的功能相當(dāng)于“麥克風(fēng)”——替人們“聽(tīng)見(jiàn)”。

另一方面， 通過(guò)電壓的輸入， 聲學(xué)織物還能將內(nèi)在的聲音“輸出”到外界，在這里，聲學(xué)織物相當(dāng)于“揚(yáng)聲器”發(fā)射聲音——替人們“說(shuō)話”。

嚴(yán)威表示， 該聲學(xué)織物可以有不同的“輸入”或者“輸出”功能，即可實(shí)現(xiàn)“聽(tīng)見(jiàn)”和“說(shuō)話”的不同功能。未來(lái)，通過(guò)腦機(jī)接口等技術(shù)提取大腦中的語(yǔ)言信號(hào)，將該信號(hào)調(diào)制為電信號(hào)，然后將該信號(hào)輸入到衣服中，便可輸出聲音，相當(dāng)于讓語(yǔ)言障礙者“說(shuō)話”。

機(jī)織吸聲織物的制造與表征

也就是說(shuō)， 穿上這樣的衣服， 可以幫助語(yǔ)言障礙者或聽(tīng)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(guò)“開(kāi)關(guān)”，根據(jù)需求調(diào)節(jié)音量。

對(duì)人體內(nèi)生理信號(hào)的即時(shí)監(jiān)測(cè)方面，聲學(xué)織物相當(dāng)于“聽(tīng)診器”。例如，監(jiān)測(cè)人的心臟、腸、胃、肺等聲音。如果將這種聲學(xué)織物應(yīng)用在孕婦服，還能提供胎兒的胎心監(jiān)護(hù)等。

并且，聲學(xué)織物還可與前沿技術(shù)融合，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)形成一定規(guī)模后，可通過(guò)人工智能分析，提取出數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)而判斷疾病。再將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)遠(yuǎn)程傳導(dǎo)到APP中，方便醫(yī)生更全面、便捷地監(jiān)測(cè)人體健康信號(hào)，對(duì)疾病的早期預(yù)防、病理分析都將起到關(guān)鍵性作用。

聲學(xué)織物的綜合應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際應(yīng)用中，將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(xué)織物中只有壓電材料略貴。據(jù)估算，1㎡聲學(xué)織物的成本在1 0美元左右。目前，美國(guó)相關(guān)公司正在對(duì)聲學(xué)織物進(jìn)行大規(guī)模制備以及各性能指標(biāo)方面的優(yōu)化。

博士論文獲得唯一獎(jiǎng)項(xiàng)，期待將智能織物變成計(jì)算機(jī)或手機(jī)

嚴(yán)威具有材料與電子器件交叉科研背景優(yōu)勢(shì)，他本科畢業(yè)于中南大學(xué)粉末冶金研究院，導(dǎo)師為粉末冶金專家劉詠教授;隨后在中國(guó)科學(xué)院金屬研究所完成了碩士階段的學(xué)習(xí)， 碩士導(dǎo)師為鋼鐵材料專家李殿中研究員。

2013年，嚴(yán)威敏銳地察覺(jué)到柔性電子、可穿戴電子、人工智能等結(jié)合的技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的前沿。因此，他選擇前往瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）材料科學(xué)與工程系攻讀博士學(xué)位，因博士畢業(yè)論文優(yōu)異，成為獲得EPFL 2019 Prof. René Wasserman Award獎(jiǎng)的唯一獲獎(jiǎng)人。在麻省理工學(xué)院完成博士后研究后，他加入新加坡南洋理工大學(xué)任教。

嚴(yán)威

在某個(gè)領(lǐng)域擁有比較好的科研基礎(chǔ)，是進(jìn)入交叉領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。嚴(yán)威在本科階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)是關(guān)于金屬玻璃，該材料的原子排列是無(wú)序的狀態(tài)，與普通金屬在結(jié)構(gòu)上面的規(guī)則狀態(tài)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(lǐng)域，并用這種智能纖維用作腦機(jī)接口技術(shù)的神經(jīng)探針。

目前，嚴(yán)威課題組主要研究方向?yàn)樘胤N光纖、電子與光電子纖維、可穿戴電子、軟電子、纖維機(jī)器人與智能織物。

嚴(yán)威認(rèn)為，通過(guò)交叉學(xué)科知識(shí)的融合，不僅可以探索出新的前沿技術(shù)解決關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題與重大科學(xué)挑戰(zhàn)，而且還能開(kāi)創(chuàng)新的領(lǐng)域。“通過(guò)與其他技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，讓這種聲學(xué)織物越來(lái)越智能化，成為電子器件或系統(tǒng)，或許不久的將來(lái)我們可以實(shí)現(xiàn)將智能織物做成手機(jī)或者電腦?！彼f(shuō)。

電腦、手機(jī)與聲學(xué)織物看似不同，實(shí)際上可通過(guò)功能的“拆分”來(lái)理解。首先，電腦或手機(jī)一般通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入，而計(jì)算織物可以通過(guò)聲音輸入信號(hào)。

嚴(yán)威與麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)

工作之余，嚴(yán)威與團(tuán)隊(duì)在阿爾卑斯山徒步

其次，電腦或手機(jī)具備存儲(chǔ)功能，并可數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。實(shí)際上，嚴(yán)威與團(tuán)隊(duì)此前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可以對(duì)信號(hào)存儲(chǔ)與分析的智能衣服。通過(guò)訓(xùn)練有素的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（在纖維中存儲(chǔ)1650個(gè)神經(jīng)元連接）衣服可以實(shí)時(shí)推斷穿著者的活動(dòng)，準(zhǔn)確度達(dá)96%。因此，整合中央處理器的衣服將自帶“推理與計(jì)算”的功能。

最后，電腦或手機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理將結(jié)果輸出在顯示屏，計(jì)算織物可以通過(guò)聲音的輸出而輸出結(jié)果。另一方面， 在智能織物領(lǐng)域，已經(jīng)有相關(guān)科研成果將智能織物制作為顯示屏。

嚴(yán)威認(rèn)為，讓衣服可以看、聽(tīng)、說(shuō)、通訊、發(fā)電、儲(chǔ)電、存儲(chǔ)、記憶、分析、推理， 最終變成計(jì)算機(jī)或手機(jī)是他的終極目標(biāo)。