可以“听见”声音的布料

纺织导报官微发布时间: 2022-06-23

纤维技术的不断发展使人们能够探索传统织物更加广泛的用途。在自然界中，纤维常常起到传递声音的作用。例如，在人类听觉系统中，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，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的传导机制，以及纤维在听觉系统中的重要性，麻省理工学院的Yoel Fink教授团队设计了一种声学织物。与听觉系统复杂的三维结构不同，这款织物是平面状的，由织物基体与编织进去的纤维传感器组成。织物基体可像鼓膜一样高效地将声压转化为机械振动，纤维传感器可像耳蜗一样将机械振动转化为电信号。

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。因此，研究团队采用基于光纤生产的热拉技术，大批量制备了由6种材料组成的纤维用作传感器，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，铜丝电极以及SEBS弹性体。

为制备高灵敏度的声学织物，研究者设计了由棉纱（经向）和高模量Twaron长丝（纬向）交织的机织物，并以同样规格的纯棉织物为对照，将热拉纤维直接编织到织物基体中。最终发现，Twaron/棉织物的声学响应要远远高于纯棉织物，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，并只向一个方向发生弯曲变形。而且，经过10次机洗循环后，依旧能保持其电学特性和声学特性。

将Twaron/棉声学织物编织到服装中，该服装可以精准探测声源的方向。声源方向性监测对于佩戴助听器的人非常有帮助，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很有用。另外，在生物医学领域，该服装可以起到类似听诊器的作用，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。