北京時間2022年3月16日，美國麻省理工學院的Yoel Fink教授團隊（fibers@MIT）在Nature主刊報道了他們新開發的一款聲學織物，其可像人的耳朵一樣聽見并記錄微弱的聲音。Yoel Fink教授為論文通訊作者，嚴威博士（現新加坡南洋理工大學電子與電氣工程學院及材料科學與工程學院雙聘助理教授）為論文第一作者。
值得一提的是，Nature官網對這項工作進行了亮點述評，MIT官網也進行了重點介紹。
看到這些場景，您是不是已經感受到了聲音及監測與記錄聲音的重要性？是不是也曾設想過能否通過我們身上穿的衣服就能無時無刻聽音樂、跟人電話語音聊天，能在嘈雜的環境中定向地聽到自己想聽的聲音，能隨時隨地像醫生一樣聽診我們的心臟？衣服正在由簡單的棉、麻、綢等形態慢慢地轉化為高度集成的電子器件、智能系統甚至計算平臺。目前，衣服可以能量存儲、光通信、熱管理、顯示、儲存和處理數字信息，甚至有簡單的計算等功能。這類全新的織物將傳統紡織制造、信息通訊、人工智能、生命健康、腦科學、醫療機器人、空天科技等領域有機地串聯起來，正在孕育新興的學科方向與前沿技術，有望變革人們的生活方式。那么，織物是否可以作為一個有效的聲音收集器來監測并處理微弱的可聽信號（10-7大氣壓）？這類織物能否穿戴舒適、美觀、透氣防汗且耐受機洗？織物是由相互纏繞的紗線制成的分層結構，這些紗線由加捻的短纖維或長絲纖維相互扭轉彎曲組成。因此，這種層級結構具有非常龐大而復雜的界面，這些界面散射并消散傳播的聲子，將聲音的震動耗散為熱能。幾千年以來，織物一直被用作高效的聲音吸收器。在自然界中，纖維常常起到傳遞聲音的作用，而不是耗散聲音。例如，在人類的聽覺系統中（圖1a），鼓膜負責解決耳道中的空氣和內耳中的液體之間的聲學阻抗不匹配，它恰好是由周向和徑向的高模量纖維構成。鼓膜先將聲壓轉變成中耳骨的機械振動，然后這種振動被傳送到內耳的耳蝸。在耳蝸中，纖維狀的毛束發生偏轉，最終將機械振動轉化為電信號（離子），由神經系統接收。受啟發于聽覺系統將聲壓轉化為機械振動，再將機械振動轉化為電信號這樣一種有序的傳導機制，以及纖維在聽覺系統中的重要性，團隊設計了這款全新的聲學織物。與聽覺系統復雜的三維結構不同，這款織物是平面狀的，其由織物基體與編織進去的纖維傳感器組成。織物基體由高模量紗線與棉線構造，其可像鼓膜一樣高效地將聲壓轉化為機械振動。纖維傳感器然后像耳蝸一樣將機械振動轉化為電信號。構建了耦合聲場、壓力場與電場的有限元模型來指導纖維結構設計。研究發現，纖維“內硬外軟”可以高效地將機械振動產生的形變能集中分布在纖芯；纖維的非對稱結構可以讓纖維在形變時產生更大的應變。采用基于光纖生產的熱拉技術，一步大批量地制備由六種材料組成的纖維，這六種材料包括P(VDF-TrFE)與壓電鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷顆粒復合形成的纖芯，納米碳粉與聚乙烯復合形成的電極，Cu絲電極以及SEBS彈性體。熱拉技術可以將具有不同的電、光、聲、熱和機械性能的材料甚至微納芯片一步集成到單根纖維中，所制備的纖維具有極其精致的宏觀微觀結構和復雜多樣的功能。熱拉誘導了P(VDF-TrFE)/鐵電鈦酸鋇（BaTiO3）鐵電駐極體的形成。測得壓電電荷系數 d31 高達約 46 pC N-1，顯著高于熱拉的 P(VDF-TrFE) 纖維（約 20 pC N-1）和熱壓 P(VDF-TrFE)/BaTiO3 復合材料（約 10 pC N-1），以及優于現有的 PVDF 基壓電材料。纖維可以承受復雜的彎曲和扭曲等變形。其電容在 3,000 次彎曲或扭曲循環變形后穩定不變。十次機洗測試進一步證實其高可靠性和機械順從性。為了探究如何設計聲學織物以及聲學織物的工作機制。首先研究簡單的纖維/薄膜模型。研究發現：1）最小的聲音探測能力是0.002Pa（40分貝，相當于安靜的圖書館的聲壓）。纖維的靈敏度為19.6 mV，這與商業化的電容式和動圈式麥克風相當。高靈敏度使其能夠有效地檢測到可聽聲音，如人說話、吹氣、樹葉沙沙聲和鳥叫聲。2）對不同頻率的聲音的響應是不一樣的。在共振頻率測得的振動模態為低階，其使得纖維只向一個方向發生彎曲，因此，相同類型的電荷（無論是正還是負）會在同一電極上疊加，從而輸出高電壓；在反共振頻率測得的振動模態為高階，纖維會向不同方向彎曲變形，因此，不同類型的電荷會在同一電極上相互抵消，從而輸出低電壓。3）相對于高階振動，低階振動誘導纖維產生更大的振動振幅，從而產生更大的形變而輸出高電壓。4）在聲波的作用下，模量高的薄膜更容易輸出低階振動。為了制備高靈敏的聲學織物，需要獲得低階振動。因此，設計了經線由棉線組成和緯線由高模量的Twaron長絲組成的織物，同時設計了徑線與緯線都由棉線組成的參比織物。兩種織物都由織布機編織，熱拉纖維直接編織集成到織物基體中。兩種織物具有相同的厚度、重量和尺寸，但在模量與使用長絲和短纖維方面有所不同。研究發現：1）高模量的Twaron/棉織物的聲學響應要遠遠高于純棉的織物；2）Twaron/棉織物顯示出各向異性振動波長（緯向波長較長，經向波長較短）。純棉織物具有各向同性振動波長（緯向和經向波長相同）；3）織物與纖維的振動幅度極其微小，在納米級別；4）在相同聲音頻率下，Twaron/棉織物具有低階機械振動模態，其誘導纖維產生更高的振動幅度，同時誘導纖維只向一個方向發生彎曲變形。相反，純棉織物具有高階振動模態，纖維中產生明顯的電荷抵消效應。一塊典型的聲學織物僅包含約 6.7 厘米的纖維，約占織物體積的 0.1%。一次熱拉可以制備40m 纖維，用這個長度可以生產近50 平方米的聲學織物。十次機洗循環后，織物依舊保持其電學特性和聲學特性。
將Twaron/棉聲學織物編織到衣服中。該衣服可以精準探測聲源的方向，平均誤差為1.7度。聲源方向性監測對于佩戴助聽器的人來說是非常有用的，有望在消除背景噪音的同時讓其只聽特定方向的聲音，同時對于尋求監測槍聲來源的執法部門也是很用的。除了感應聲音外，該織物還可以播放可聽的聲音。兩件襯衫可以實現雙向聲學通信，發射的語音和接收的語音之間具有匹配的時域波形和頻域頻譜。這有利于實現人與人間的聲學通信，這對失聰或聽力困難的人、隱蔽通信、甚至水下通信有很好的應用前景。心臟聽診是診斷心血管疾病的基本工具。聲學襯衫能有效地聆聽心臟發出的聲音，就像一個與皮膚接觸的聽診器。該信號的信噪比高達30分貝，超過了很多薄膜聲學器件。并可監測心跳速率，清楚地辨別較響的S1聲音和較弱的S2聲音，并捕捉到S1的分裂以及S2的分裂，這在以前的薄膜器件中是無法實現的。該技術為舒適、連續、實時和長期監測人體心臟和呼吸健康狀況提供了一種全新的方案。
本項工作闡述了新一代聲學織物的設計原理、材料、制備方法和其工作機制。該全新的織物能夠高效地監聽可聽聲音，其性能與商業麥克風相當。在聲源方向監測、聲學通信和心臟聽診方面的應用論證了這項技術在更多領域的廣泛適用性，這些領域包括計算織物、醫療健康、安全、航空航天工程、通信、生物醫學和機器人等。
論文主要合作者包括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嚴威博士，新加坡南洋理工大學“南洋助理教授”，電子與電氣工程學院及材料科學與工程學院雙聘教授、博士生導師。2017年于瑞士聯邦理工學院（EPFL）材料科學與工程系獲得博士學位，學位論文榮獲瑞士聯邦理工2019 Prof. René Wasserman Award獎 （唯一獲獎人）。獲國際電氣與電子工程師協會最佳青年科學家獎。以第一作者身份在領域內著名期刊如Nature、Nature Nanotechnology、Advanced Materials等發表研究論文20多篇。授權美國發明專利3項（其中一項被美國公司購買，成果轉化當中）。歐盟發明專利1項。研發首件多材料纖維智能航空織物并在國際空間站用于太空粒子監測，研究工作受到Science、美國陸軍和麻省理工學院等廣泛報導。擔任瑞士國家科學基金海外評審專家、國際期刊Advanced Fiber Materials青年編委會專家、國際期刊Nanotechnology編輯咨詢委員會專家。課題組主要研究方向特種光纖、電子與光電子纖維、可穿戴電子、軟電子、纖維機器人與智能織物。課題組主頁：https://dr.ntu.edu.sg/cris/rp/rp01693 。課題組為多學科高度交叉（Materials Science, Electronics, Electrical engineering, Optoelectronics, Optics, Mechanical engineering, Robotics and Biomedicine）的研究組。招聘需求如下：博士后：研究背景要求為在軟材料、柔性電子、生物電子、光纖、光電子器件、傳感與驅動、機器人、智能纖維、智能織物、可穿戴電子或腦機接口有充分的研究經驗。博士研究生：具有材料科學，電子與電氣工程，機械工程，機器人或生物醫學工程等相關學科背景及扎實的功底。入學英語成績（學校要求）：GRE（≥319 + 3.5），TOEFL （ ≥ 100）或IELTS （ ≥ 6.5）。優秀的本科和碩士生都可申請。博士生將獲得NTU全額獎學金資助，博士后將獲得非常有國際競爭力的薪資待遇。強大的軟硬件支持將讓課題組成員羽翼豐滿、成果豐盛。
