作者:沈春蕾 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/3/17 20:31:54
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历时近3年、险与Nature失之交臂:能听心跳的背心问世

 

这是一件神奇的背心,穿上它,就能清楚地听见你的心跳。

它的特殊之处在于面料。其主要研发者、当时在美国麻省理工学院从事博士后工作的严威告诉《中国科学报》:“我们使用的不是普通纱线,而是智能声学纤维。”

北京时间3月17日,美国麻省理工学院教授Yoel Fink团队在Nature报道了他们最新研发的一款声学织物,它可以像人的耳朵一样,首先将声音转换为机械振动,然后转换为电信号,通过这种方式,听见并记录微弱的声音。

与此同时,它并不娇气,可以多次机洗都完好无损。

严威是论文第一作者,现任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、博士生导师。

获知论文上线的消息后,严威发出感叹:“由于疫情,这篇论文险与Nature失之交臂。”

灵感来自人耳

音乐大厅墙面的隔音棉、地面的地毯,这些织物都起到了吸收声音的作用。

近年来,随着声学织物(Acoustic Fabrics)这门学科的出现,学术界一直将织物用作高效的声音吸收器。

因为织物是由相互缠绕的纱线组成的分层结构,该结构具有非常庞大而复杂的界面,这些界面能高效地散射并消散传播的声子,并将承载有效信息的机械振动耗散为无用的热能。

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?

这是一个前所未有的、具有挑战性的问题。

Yoel Fink团队选择向这个难题发起攻关,但在研究之初就遇到了难以想象的困难。

“该领域的研究文献一片空白。”严威说,“从织物的材料和结构设计,到制备和表征,这是一个庞大而复杂的系统,我们应该从哪里突破呢?”

人耳给研究团队提供了灵感。

在人类听觉系统中,一个关键结构就是鼓膜。鼓膜由周向和径向的高模量纤维构成,它位于外耳和中耳之间。

当耳朵接收到声音后,鼓膜先将声压转变成中耳骨的机械振动,这种转换会造成声音的衰减,而鼓膜的结构能放大传入的声波,弥补衰减。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,再由神经系统接收,人就能听见声音。

受此启发,研究团队设计了一款全新的声学织物。与听觉系统复杂的三维结构不同,这款织物是平面状的,由织物基体与编织进去的纤维传感器组成。

其中,织物基体由高模量纱线与棉线构造,可像鼓膜一样高效地将声压转化为机械振动。然后,纤维传感器像耳蜗一样将机械振动转化为电信号,从而监测并记录声音。

无论是在安静的图书馆中,还是在交通繁忙的道路上,这种织物都可以捕捉声音,并且还能确定诸如拍手之类的突然响声的精确方向。由于声音的分贝不同,纤维振动并产生与外界声音强度成比例的电流,就好像手持麦克风。

研究团队将传统纱线与热拉制纤维用标准织机编织出面料。(严威供图)

面料舒适洗不坏

新的问题也随之出现,这类全新的声学织物能否像普通衣服一样穿戴舒适、美观、透气、防汗且耐受机洗?

衣服的舒适度跟面料的组成材料有很大关系,这款声学织物的一种关键组分是热拉制纤维传感器。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。

这种类似橡皮泥的纤维不仅可以承受复杂的弯曲与扭曲等变形,其电容在3000次弯曲或扭曲循环变形后仍可以保持稳定不变。

关于热拉技术,严威介绍,该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。

随后,Yoel Fink团队将传统纱线与热拉制纤维用标准织机编织出面料。“它比粗斜纹棉布轻,但又比衬衫面料重,穿在身上就像一件轻薄的夹克。”团队研究人员这样说。

这款声学织物面料不仅穿着舒适,还洗不坏。

经过10次机洗循环测试后,织物依旧保持其稳定的电学特性与声学特性。为了进一步测试面料的性能,严威将该面料制成的背心接触到人体胸部,准确地捕获到一名志愿者的心跳,以及心跳的细微变化。

该面料制成的背心接触到人体胸部,可以监测到心跳。(严威供图)

严威说:“这种织物可以不知不觉地与人体皮肤接触,使佩戴者能够以舒适、连续、实时和长期的方式监测他们的心脏和呼吸健康状况。”

除了监测心跳和呼吸之外,Yoel Fink团队还发现,如果将声学织物融入孕妇服,可以帮助监测婴儿的胎儿心跳。

回复审稿人质疑

这项研究从立题到成稿,用了两年半时间。当严威自信满满地向Nature发出投稿后,却遭遇了审稿人的质疑:“你们能否原位实时地测量声波与织物的交互过程?”

严威很清楚地知道这个表征工作的必要性,但当时美国疫情非常严重,能在实验室工作的时间很有限。“表征织物与声音的交互几乎没有任何参考文献,也就是说,我们要自己建立一套标准。”

考虑到风险与时间成本极大,Yoel Fink建议严威放弃Nature,转投要求低一些的杂志。

严威

严威并没有听从导师的建议。他一边继续研究文献,一边开始学习激光多普勒测振仪的工作原理与使用方法。

由于实验室以前没有人做声学织物相关的研究工作,也没有配备激光多普勒测振仪。这种仪器的售价约80万美元,现买一套并不现实。严威开始跟仪器公司商量,能否短期租用设备。虽然对方同意了,但租金很贵,实验室只能提供两个星期的租借费。

也就是说,严威必须要在两周内建立表征声学织物的标准,并且拿到漂亮的数据,解决审稿人提出的问题。

实验刚开始进展并不顺利。严威发现织物的边界条件极其敏感地影响着整体的振动。他尝试了十几种方法去控制织物的边界条件,每一次都以失败告终。

那段时间对严威来说是非常辛苦的,他至今仍清楚地记得自己一个人在麻省理工学院的媒体实验室(MIT Media Lab)捣鼓实验到凌晨2~3点的场景。

慢慢地他摸索出了正确的方向,建立了制备这类全新的声学织物一套初步的标准,从材料、纤维结构设计与制备、织物结构设计与制备、织物的声学表征到性能优化策略,最终完美地回复了审稿人的质疑。

“这是非常了不起的、令人倾佩的成果!”三位审稿人对这部分成果给出了非常高的评价。

在严威的个人履历中,也透露出他身上坚韧不拔的气质和稳扎稳打的研究积累。

从中南大学粉末冶金研究院本科毕业后,他被保送至中国科学院金属研究所攻读硕士学位,师从李殿中研究员,研究领域也从航空航天用的粉末冶金材料,转换成钢铁材料的相变问题。

本硕阶段的理论学习让严威积累了比较扎实的材料学科基础。取得硕士学位后,他前往瑞士洛桑联邦理工学院攻读博士学位,并开始从事功能材料与电子纤维器件的研究。

这是一个高度交叉的学科,也是国际学术上热门的前沿研究方向。纤维将传统纺织制造、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,正在孕育新的学科方向与前沿技术,有望更好地服务于人类。

严威的博士学位论文获瑞士联邦理工2019 Prof. René Wasserman Award奖,他也是当年唯一的获奖人。

谈及自己研究工作的应用未来,严威有着很多憧憬,比如将声学织物应用于航天器外壳,倾听和收集太空的声音和灰尘;将声学织物嵌入建筑物中,以检测裂缝或应变;穿上声学织物的衣服,听觉障碍者与语言障碍者有望无障碍地交流与沟通;用纤维材料编织一个智能网,监控海洋中的鱼类……

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04476-9

 
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