MIT開發(fā)新“聲學(xué)織物” 將可聽到的聲音轉(zhuǎn)換為電信號

受人耳的啟發(fā)，麻省理工學(xué)院的工程師和羅德島設(shè)計學(xué)院的合作者開發(fā)了一種將可聽到的聲音轉(zhuǎn)換為電信號的新“聲學(xué)織物”。該團隊設(shè)計了一種像麥克風(fēng)一樣工作的織物，首先將聲音轉(zhuǎn)換為機械振動，然后轉(zhuǎn)換為電信號，類似于我們的耳朵如何聽。

所有的織物都會對可聽到的聲音做出反應(yīng)，盡管這些振動是納米級的，一般情況下無法感覺到。為了捕捉這些難以察覺的信號，研究人員創(chuàng)造了一種靈活的纖維，當(dāng)它被織入織物時，會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)計的，當(dāng)彎曲或機械變形時產(chǎn)生電信號，為織物提供了一種將聲音振動轉(zhuǎn)化為電信號的方法。

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，這種織物可以檢測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，如口語的錄音，另一種織物可以檢測到。

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

Yan說：“穿上一件聲學(xué)服裝，你可能會通過它來接聽電話和與他人交流，”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地與人體皮膚對接，使穿戴者能夠以舒適、連續(xù)、實時和長期的方式監(jiān)測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)計學(xué)院(RISD)的Anais Missakian和Elizabeth Meiklejohn，凱斯西儲大學(xué)的Lei Zhu，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Chu Ma，以及美國陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所的Reed Hoyt。

織物傳統(tǒng)上被用來抑制或減少聲音;例子包括音樂廳的隔音材料和我們生活空間的地毯。但是Fink和他的團隊多年來一直致力于重新塑造織物的傳統(tǒng)角色。他們專注于擴展材料的特性，使織物更具功能性。在尋找制造聲音感應(yīng)織物的方法時，該團隊從人耳中獲得了靈感。

可聽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，一個極其敏感和復(fù)雜的三維器官--鼓膜，使用一個圓形的纖維層將壓力波轉(zhuǎn)化為機械振動。這些振動通過小骨頭進入內(nèi)耳，在那里耳蝸將這些波轉(zhuǎn)換為電信號，由大腦感知和處理。

受人類聽覺系統(tǒng)的啟發(fā)，該團隊試圖創(chuàng)造一種柔軟、耐用、舒適并能探測聲音的織物“耳朵”。他們的研究導(dǎo)致了兩個重要的發(fā)現(xiàn)。這種織物必須包含堅硬或“高模量”的纖維，以有效地將聲波轉(zhuǎn)化為振動。而且，研究小組必須設(shè)計一種能夠與織物一起彎曲的纖維，并在此過程中產(chǎn)生電力輸出。

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

研究人員通過將光纖連接到懸掛的膠布上，測試了它對聲音的敏感性。他們用激光來測量片材的振動--進而測量纖維--對通過附近揚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)，纖維振動并產(chǎn)生與播放的聲音成比例的電流。

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

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

她將一塊面板縫在一件襯衫的背面，研究小組通過站在與襯衫不同角度的情況下拍手來測試該面料對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力損失的人在嘈雜的環(huán)境中調(diào)整到揚聲器。

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器，而是作為一個揚聲器。他們錄制了一些口語，并以外加電壓的形式將錄音輸入到纖維中。纖維將電信號轉(zhuǎn)換為可聽的振動，第二根纖維能夠檢測到這些振動。

除了可穿戴的助聽器、可交流的衣服和跟蹤生命體征的服裝，該團隊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(積累的)空間塵埃，或嵌入建筑物以檢測裂縫或應(yīng)變，”Yan提議。“它甚至可以被編織成一張智能網(wǎng)，以監(jiān)測海洋中的魚類。該纖維正在開啟廣泛的機會。”

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

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