北京时间2022年3月16日，美国麻省理工学院的Yoel Fink教授团队（fibers@MIT）在Nature主刊报道了他们新开发的一款声学织物，其可像人的耳朵一样听见并记录微弱的声音。Yoel Fink教授为论文通讯作者，严威博士（现新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院及材料科学与工程学院双聘助理教授）为论文第一作者。
值得一提的是，Nature官网对这项工作进行了亮点述评，MIT官网也进行了重点介绍。
看到这些场景，您是不是已经感受到了声音及监测与记录声音的重要性？是不是也曾设想过能否通过我们身上穿的衣服就能无时无刻听音乐、跟人电话语音聊天，能在嘈杂的环境中定向地听到自己想听的声音，能随时随地像医生一样听诊我们的心脏？衣服正在由简单的棉、麻、绸等形态慢慢地转化为高度集成的电子器件、智能系统甚至计算平台。目前，衣服可以能量存储、光通信、热管理、显示、储存和处理数字信息，甚至有简单的计算等功能。这类全新的织物将传统纺织制造、信息通讯、人工智能、生命健康、脑科学、医疗机器人、空天科技等领域有机地串联起来，正在孕育新兴的学科方向与前沿技术，有望变革人们的生活方式。那么，织物是否可以作为一个有效的声音收集器来监测并处理微弱的可听信号（10-7大气压）？这类织物能否穿戴舒适、美观、透气防汗且耐受机洗？织物是由相互缠绕的纱线制成的分层结构，这些纱线由加捻的短纤维或长丝纤维相互扭转弯曲组成。因此，这种层级结构具有非常庞大而复杂的界面，这些界面散射并消散传播的声子，将声音的震动耗散为热能。几千年以来，织物一直被用作高效的声音吸收器。在自然界中，纤维常常起到传递声音的作用，而不是耗散声音。例如，在人类的听觉系统中（图1a），鼓膜负责解决耳道中的空气和内耳中的液体之间的声学阻抗不匹配，它恰好是由周向和径向的高模量纤维构成。鼓膜先将声压转变成中耳骨的机械振动，然后这种振动被传送到内耳的耳蜗。在耳蜗中，纤维状的毛束发生偏转，最终将机械振动转化为电信号（离子），由神经系统接收。受启发于听觉系统将声压转化为机械振动，再将机械振动转化为电信号这样一种有序的传导机制，以及纤维在听觉系统中的重要性，团队设计了这款全新的声学织物。与听觉系统复杂的三维结构不同，这款织物是平面状的，其由织物基体与编织进去的纤维传感器组成。织物基体由高模量纱线与棉线构造，其可像鼓膜一样高效地将声压转化为机械振动。纤维传感器然后像耳蜗一样将机械振动转化为电信号。构建了耦合声场、压力场与电场的有限元模型来指导纤维结构设计。研究发现，纤维“内硬外软”可以高效地将机械振动产生的形变能集中分布在纤芯；纤维的非对称结构可以让纤维在形变时产生更大的应变。采用基于光纤生产的热拉技术，一步大批量地制备由六种材料组成的纤维，这六种材料包括P(VDF-TrFE)与压电钛酸钡（BaTiO3）陶瓷颗粒复合形成的纤芯，纳米碳粉与聚乙烯复合形成的电极，Cu丝电极以及SEBS弹性体。热拉技术可以将具有不同的电、光、声、热和机械性能的材料甚至微纳芯片一步集成到单根纤维中，所制备的纤维具有极其精致的宏观微观结构和复杂多样的功能。热拉诱导了P(VDF-TrFE)/铁电钛酸钡（BaTiO3）铁电驻极体的形成。测得压电电荷系数 d31 高达约 46 pC N-1，显著高于热拉的 P(VDF-TrFE) 纤维（约 20 pC N-1）和热压 P(VDF-TrFE)/BaTiO3 复合材料（约 10 pC N-1），以及优于现有的 PVDF 基压电材料。纤维可以承受复杂的弯曲和扭曲等变形。其电容在 3,000 次弯曲或扭曲循环变形后稳定不变。十次机洗测试进一步证实其高可靠性和机械顺从性。为了探究如何设计声学织物以及声学织物的工作机制。首先研究简单的纤维/薄膜模型。研究发现：1）最小的声音探测能力是0.002Pa（40分贝，相当于安静的图书馆的声压）。纤维的灵敏度为19.6 mV，这与商业化的电容式和动圈式麦克风相当。高灵敏度使其能够有效地检测到可听声音，如人说话、吹气、树叶沙沙声和鸟叫声。2）对不同频率的声音的响应是不一样的。在共振频率测得的振动模态为低阶，其使得纤维只向一个方向发生弯曲，因此，相同类型的电荷（无论是正还是负）会在同一电极上叠加，从而输出高电压；在反共振频率测得的振动模态为高阶，纤维会向不同方向弯曲变形，因此，不同类型的电荷会在同一电极上相互抵消，从而输出低电压。3）相对于高阶振动，低阶振动诱导纤维产生更大的振动振幅，从而产生更大的形变而输出高电压。4）在声波的作用下，模量高的薄膜更容易输出低阶振动。为了制备高灵敏的声学织物，需要获得低阶振动。因此，设计了经线由棉线组成和纬线由高模量的Twaron长丝组成的织物，同时设计了径线与纬线都由棉线组成的参比织物。两种织物都由织布机编织，热拉纤维直接编织集成到织物基体中。两种织物具有相同的厚度、重量和尺寸，但在模量与使用长丝和短纤维方面有所不同。研究发现：1）高模量的Twaron/棉织物的声学响应要远远高于纯棉的织物；2）Twaron/棉织物显示出各向异性振动波长（纬向波长较长，经向波长较短）。纯棉织物具有各向同性振动波长（纬向和经向波长相同）；3）织物与纤维的振动幅度极其微小，在纳米级别；4）在相同声音频率下，Twaron/棉织物具有低阶机械振动模态，其诱导纤维产生更高的振动幅度，同时诱导纤维只向一个方向发生弯曲变形。相反，纯棉织物具有高阶振动模态，纤维中产生明显的电荷抵消效应。一块典型的声学织物仅包含约 6.7 厘米的纤维，约占织物体积的 0.1%。一次热拉可以制备40m 纤维，用这个长度可以生产近50 平方米的声学织物。十次机洗循环后，织物依旧保持其电学特性和声学特性。
将Twaron/棉声学织物编织到衣服中。该衣服可以精准探测声源的方向，平均误差为1.7度。声源方向性监测对于佩戴助听器的人来说是非常有用的，有望在消除背景噪音的同时让其只听特定方向的声音，同时对于寻求监测枪声来源的执法部门也是很用的。除了感应声音外，该织物还可以播放可听的声音。两件衬衫可以实现双向声学通信，发射的语音和接收的语音之间具有匹配的时域波形和频域频谱。这有利于实现人与人间的声学通信，这对失聪或听力困难的人、隐蔽通信、甚至水下通信有很好的应用前景。心脏听诊是诊断心血管疾病的基本工具。声学衬衫能有效地聆听心脏发出的声音，就像一个与皮肤接触的听诊器。该信号的信噪比高达30分贝，超过了很多薄膜声学器件。并可监测心跳速率，清楚地辨别较响的S1声音和较弱的S2声音，并捕捉到S1的分裂以及S2的分裂，这在以前的薄膜器件中是无法实现的。该技术为舒适、连续、实时和长期监测人体心脏和呼吸健康状况提供了一种全新的方案。
本项工作阐述了新一代声学织物的设计原理、材料、制备方法和其工作机制。该全新的织物能够高效地监听可听声音，其性能与商业麦克风相当。在声源方向监测、声学通信和心脏听诊方面的应用论证了这项技术在更多领域的广泛适用性，这些领域包括计算织物、医疗健康、安全、航空航天工程、通信、生物医学和机器人等。
论文主要合作者包括Case Western Reserve University的 Lei Zhu教授和University ofWisconsin–Madison, Madison的Chu Ma教授，US Army Research Institute of Environmental Medicine 的Reed W. Hoyt博士。1. https://kknews.cc/digital/4pylbqx.html2. http://yao51.com/jiankangtuku/smssgpy.html3. https://www.dreamstime.com/4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/150314592https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9严威博士，新加坡南洋理工大学“南洋助理教授”，电子与电气工程学院及材料科学与工程学院双聘教授、博士生导师。2017年于瑞士联邦理工学院（EPFL）材料科学与工程系获得博士学位，学位论文荣获瑞士联邦理工2019 Prof. René Wasserman Award奖 （唯一获奖人）。获国际电气与电子工程师协会最佳青年科学家奖。以第一作者身份在领域内著名期刊如Nature、Nature Nanotechnology、Advanced Materials等发表研究论文20多篇。授权美国发明专利3项（其中一项被美国公司购买，成果转化当中）。欧盟发明专利1项。研发首件多材料纤维智能航空织物并在国际空间站用于太空粒子监测，研究工作受到Science、美国陆军和麻省理工学院等广泛报导。担任瑞士国家科学基金海外评审专家、国际期刊Advanced Fiber Materials青年编委会专家、国际期刊Nanotechnology编辑咨询委员会专家。课题组主要研究方向特种光纤、电子与光电子纤维、可穿戴电子、软电子、纤维机器人与智能织物。课题组主页：https://dr.ntu.edu.sg/cris/rp/rp01693 。课题组为多学科高度交叉（Materials Science, Electronics, Electrical engineering, Optoelectronics, Optics, Mechanical engineering, Robotics and Biomedicine）的研究组。招聘需求如下：博士后：研究背景要求为在软材料、柔性电子、生物电子、光纤、光电子器件、传感与驱动、机器人、智能纤维、智能织物、可穿戴电子或脑机接口有充分的研究经验。博士研究生：具有材料科学，电子与电气工程，机械工程，机器人或生物医学工程等相关学科背景及扎实的功底。入学英语成绩（学校要求）：GRE（≥319 + 3.5），TOEFL （ ≥ 100）或IELTS （ ≥ 6.5）。优秀的本科和硕士生都可申请。博士生将获得NTU全额奖学金资助，博士后将获得非常有国际竞争力的薪资待遇。强大的软硬件支持将让课题组成员羽翼丰满、成果丰盛。
