今日Nature：“听得见”的衣服！

织物，由于其成分和结构，传统上常被用作吸声器。

在此，受听觉系统的启发，来自美国麻省理工学院的Yoel Fink等研究者，推出了一种面料，它可以作为灵敏的听觉麦克风，同时保留了面料的传统品质，如机洗性和悬垂性。相关论文以题为“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”于2022年03月16日发表在Nature上。

面料的无处不在，加上纤维技术最近的突破，使人们能够挑战织物的传统使用，以包含新的和潜在的有用的角色。近来的研究证明，织物可以存储能量、交流、加热、冷却、显示，甚至存储和处理数字信息。由于织物的广泛使用，其与人体的无与伦比的接近，以及声音信号的重要性，人们开始研究织物是否可以作为有效的声音收集器，以检测和处理即使是微弱的声音信号。这种在织物使用上的转变，将产生深远的影响，使织物能够协调声通信，从身体采集声健康指标，并增加情景听觉感知。

目前，实现敏感声织物，主要面临两个障碍。首先，传统织物在阻尼声音方面臭名昭著，其次，之前报道的能够将机械振动转化为电信号的纤维，在空气中灵敏度很低。织物是由短纤维或长丝纤维扭曲成纱线，然后组装成织物的分层结构。这个层次内在地建立了多个界面，分散和消散传播的声子，赋予织物耗散的声学特性。

然而，在自然界中，纤维的作用往往是传递声音，而不是减弱声音。例如，在人类的听觉系统中(图1)，鼓膜负责解决耳道空气和内耳液体之间的声阻抗不匹配，它碰巧是一个环状和径向定向的高模量纤维结构。这种膜将声压传导到中耳骨的机械振动。这样的振动然后传递到内耳的耳蜗。在耳蜗中，毛束被偏转，最终将压力波转换成电信号(离子)，由神经系统接收。

在此，研究者从听觉转导序列中获得灵感，包括压力、机械刺激和电刺激的转换，以及听觉系统中纤维的重要性。研究者引入了一种具有类似传感路径的方法，利用纤维，使微扰织物能够有效地将压力波转换为电子输出(图1)。

图1. 织物传声器的设计与原理

在此，作为原理的证明，研究者介绍了一种面料，它可以作为灵敏的听觉麦克风，同时保留了面料的传统品质，如机洗性和悬垂性。织物介质由棉质经纱纬线上的高杨氏模量纺织纱线组成，将可听到频率下的10-7大气压力波转换为低阶机械振动模式。织物中编织着一种热拉伸的复合压电纤维，它与织物一致，并将机械振动转换成电信号。纤维灵敏度的关键是弹性材料包层，它将机械应力集中在具有高压电电荷系数的压电复合材料层中，压电电荷系数约为46皮库仑/牛顿，这是热拉伸过程的结果。

研究者同时测量了电输出和空间振动模式在可听到的声激发下的响应，揭示了织物振动模式与纳米振幅位移是纤维电输出的来源。由于纤维占织物体积的0.1%以下，单纤维拉伸就可以实现数十平方米的织物麦克风。三种不同的应用证明了这项研究的实用性：一种带有双声纤维的梭织衬衫可以测量声脉冲的精确方向；两种织物之间建立了双向通信，作为声音发射器和接收器；一种衬衫听诊心音信号。

图2. 声学纤维的制备与表征

图3. 膜声学纤维的表征

图4. 声织物的制备与表征

图5. 织物声学织物集成在衬衫中的应用实例

综上所述，研究者描述了原理、材料和机制，由此实现了一个声学织物。由此产生的织物，能够有效地检测可听到的声音，性能与商用麦克风相当。在声方向检测、声通信和心音听诊方面的应用表明，该技术的广泛适用性使基于织物的人机界面、生理监测和保健、航空航天工程、通信、生物医学、机器人和计算织物等领域的进展成为可能。

至此，除了“听得见”的衣服之外，你们还知道哪些具有特殊功能的“织物”呢？我们一起再来看一看……

超长储能纤维

通讯纤维

制热纤维

制冷纤维

显示纤维

存储和处理数字信息纤维

写在后面，畅想未来，很难想象，如果这么多的功能同时集成在一件衣服上，该是多么地“神奇”？同时，难题来了，售价该是多少呢？

文献信息

Yan, W., Noel, G., Loke, G. et al. Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04476-9

Khudiyev, T. et al. 100-m-long thermally drawn supercapacitor fibers with applications to 3D printing and textiles. Adv.Mater. 32, 2004971 (2020).

Rein, M. et al. Diode fibres for fabric-based optical communications. Nature 560, 214–218 (2018).

Zhang, X. A. et al. Dynamic gating of infrared radiation in a textile. Science 363, 619–623 (2019).

Hsu, P. C. et al. Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science 353, 1019–1023 (2016).

Zhu, B. et al. Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk. Nat. Nanotechnol. 16, 1342–1348 (2021).

Shi, X. et al. Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 591, 240–245 (2021).

Loke, G. et al. Digital electronics in fibres enable fabric-based machine-learning inference. Nat. Commun. 12, 3317 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9#citeas