2022年03月19日 07:00
【科學快訊】
想象這樣的場景：你穿在身上的衣服，不僅能替你在嘈雜環境中辨別聲音來源，還能記錄你的每一次心跳。這樣「長耳朵」的衣服聽上去相當科幻，但在本周的一篇《自然》論文中，來自MIT等機構的科學家讓科幻成真了。
其實，用衣服「聽」聲音在理論上並不奇怪。包括你正穿著的衣服在內，所有織物都能因聲音而振動。但問題是，這種振動的幅度只有納米尺度，我們該如何捕捉這些難以察覺的信號？
對這項研究的作者來說，給予他們靈感的是我們的耳朵。當聲波到達人耳時，耳膜中有一個纖維層，可以將聲波轉化為機械振動；隨後，機械振動通過聽骨進入內耳，在這裏耳蝸將振動轉化為電信號，最終通過神經元進入大腦。
同樣，這項研究要做的也是打造一款能將聲波最終轉化為電信號的織物。在他們的設計中，這款纖維的核心是一種壓電材料：發生彎曲或機械形變時，壓電材料能產生電信號，從而將聲音振動轉化為電信號。
具體來說，這種纖維包含了壓電性的聚合物基底，以及壓電材料鈦酸鋇陶瓷顆粒。隨後，研究團隊使用熱拉法，在高溫下將整個纖維拉長，從而賦予材料最強的壓電性質。
從纖維到織布，研究團隊並不需要直接將這些纖維編織成完整的布料。他們只需要將一根壓電纖維編織到普通的紗線上，就可以制造出足夠靈敏、能夠「聽」聲的織物。這種織物能捕捉的最小音量為40分貝，相當於安靜的圖書館環境。此外，這款材料可以機洗，並且垂懸性高、易於成型，這些特征都為打造可穿戴的裝置奠定了基礎。
那麼，基於這種材料打造的衣服有什麼作用呢？研究團隊將這種壓電織物編織進襯衫貼著皮膚的一層，這樣當周圍有人在拍手時，襯衫就能辨別出聲音來源的方向。在3米外，這款織物可以探測聲音來源的角度，誤差在1°以內。因此，這項技術有望幫助聽力受損的人在嘈雜環境中定位，從而更精准地傾聽。
這種織物的另一個神奇應用是，其打造的衣服可以實時監測使用者的心跳，以及第一心音和第二心音的輕微波動。此外，這種材料還有望用於監測孕婦的胎心。
論文第一作者，現任職於新加坡南洋理工大學的Wei Yan教授表示：「穿著這件聲學服裝，你可以通過它來打電話並與他人交流。此外，穿著者的皮膚幾乎感覺不到這種材料，因此可以長期舒適地實時監測心跳和呼吸條件。」
除了這些場景，研究人員相信，這款材料還有更廣闊的應用空間。例如，植入宇航服中，用於聆聽太空塵埃的位置；嵌入建築物，探測裂縫和應力疲勞的風險。
「這項研究提供了一種全新的途徑，使得織物可以聆聽我們的身體及周圍環境。」論文通訊作者，MIT教授Yoel Fink表示。
參考資料：
<1> 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
<2> A fabric that 「hears」 your heartbeat。
Retrieved Mar 17th， 2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/946234
