生活中每天都充斥著大量的聲音，我們到底是怎么聽到這些聲音的呢？原來可聽見的聲音是作為輕微的壓力波在空氣中傳播，當(dāng)這些波到達(dá)我們的耳朵時(shí)，一個(gè)極其敏感和復(fù)雜的三維器官（鼓膜或耳膜）使用圓形纖維層將壓力波轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)。這些振動(dòng)通過小骨頭進(jìn)入內(nèi)耳，耳蝸將這些波轉(zhuǎn)換為由大腦感知和處理的電信號(hào)。
受人類聽覺系統(tǒng)的啟發(fā)，來自麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授團(tuán)隊(duì)試圖創(chuàng)造一種柔軟、耐用、舒適且能夠檢測聲音的織物“耳朵”。如何才能做到呢？實(shí)際上通過壓電纖維編織而成的織物可能會(huì)使該想法成為現(xiàn)實(shí)，壓電纖維會(huì)響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力而發(fā)電。
一些研究已經(jīng)證明了使用壓電材料開發(fā)可穿戴設(shè)備的潛力，但到目前為止，性能一直受到材料特性的限制。壓電材料家族包括在機(jī)械振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)的無機(jī)化合物、有機(jī)化合物和聚合物，這些材料長期以來一直用于測量應(yīng)力或壓力。大多數(shù)壓電無機(jī)材料顯示出高壓電性，但它們通常是剛性的、易碎的并且難以制造成纖維。相比之下，柔性聚合物很容易加工成纖維，其形狀和尺寸可以調(diào)整，但通常具有比無機(jī)化合物低得多的壓電性能——比無機(jī)化合物低200倍（壓電系數(shù)超過2100皮庫侖/牛頓）。
科學(xué)家和工程師試圖開發(fā)結(jié)合無機(jī)顆粒和聚合物的壓電復(fù)合材料，以利用它們的優(yōu)勢并克服它們的局限性。盡管取得了一些成功，但這些混合材料的壓電性能仍遠(yuǎn)低于預(yù)期�！盎旌衔镆�(guī)則”通常用于預(yù)測理想復(fù)合材料的性能，但似乎在功能性壓電混合材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，這一規(guī)則已被打破，壓電性或柔韌性以及纖維可加工性都會(huì)受到影響。
大多數(shù)由聚合物或復(fù)合材料制成的柔性壓電聲學(xué)傳感器都可以將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電輸出，但它們的性能對(duì)于真正的可穿戴電子產(chǎn)品來說是有限的。制造具有最佳壓電性能的聚合物纖維的一種簡單有效的策略稱為熱拉伸。在這個(gè)過程中，材料先被加熱至柔軟狀態(tài)，然后以恒定的速度拉伸，最后伸長成直徑均勻的纖維。拉伸和極化的結(jié)合可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使大分子鏈及其晶體結(jié)構(gòu)在形成時(shí)沿著纖維的軸定向，以及誘導(dǎo)電偶極子。這導(dǎo)致響應(yīng)于機(jī)械刺激的電荷流量增加。
聲學(xué)織物
鑒于此，來自麻省理工學(xué)院的Yoel Fink教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種織物，該織物可用作靈敏的可聽麥克風(fēng)，同時(shí)保留織物的傳統(tǒng)品質(zhì)，例如可機(jī)洗性和懸垂性�？椢锝橘|(zhì)由棉經(jīng)緯紗中的高楊氏模量紡織紗線組成，將可聽頻率的107個(gè)大氣壓的微弱壓力波轉(zhuǎn)換為低階機(jī)械振動(dòng)模式。織入織物的是熱拉伸復(fù)合壓電纖維，它與織物貼合并將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光纖靈敏度的關(guān)鍵是彈性包層，它將機(jī)械應(yīng)力集中在壓電復(fù)合材料層中，壓電電荷系數(shù)約為46 皮庫侖/牛頓。由于纖維占織物體積的比例不到0.1%，單根纖維拉絲可實(shí)現(xiàn)數(shù)十平方米的織物麥克風(fēng)。三種不同的應(yīng)用體現(xiàn)了這項(xiàng)研究的實(shí)用性：具有雙聲學(xué)纖維的機(jī)織襯衫測量聲脈沖的精確方向，在用作聲音發(fā)射器和接收器的兩種織物之間建立雙向通信，以及聽診心臟聲音信號(hào)的襯衫。
“聲學(xué)織物”設(shè)計(jì)與原理
從涉及將壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械到電激發(fā)的聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)序列、聽覺系統(tǒng)中纖維的重要性，以及纖維在聽覺系統(tǒng)中的重要性中汲取靈感，作者介紹了一種具有類似轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑的方法，該方法利用纖維使微擾織物能夠有效地將壓力波轉(zhuǎn)換為電輸出。
該過程從構(gòu)建宏觀預(yù)制件開始�；钚詫邮怯蓧弘娋郏ㄆ蚁�-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））和壓電鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷顆粒組成的復(fù)合材料。所有材料的穩(wěn)定流動(dòng)保持了從預(yù)制件到纖維的橫截面幾何形狀。P(VDF-TrFE)/BaTiO3和拉制過程中形成的CPE電極之間的界面表現(xiàn)出良好的粘附性。納米顆粒在粘性流動(dòng)期間保持其均勻分布。熱拉伸過程沿拉伸方向排列聚合物鏈。
聲學(xué)纖維的制造和表征
一旦拉制并極化，獨(dú)立的壓電纖維就會(huì)對(duì)可聽范圍內(nèi)的聲波做出響應(yīng)。光纖和膜機(jī)械振動(dòng)模式之間的強(qiáng)耦合產(chǎn)生的電輸出比獨(dú)立光纖高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。輸出電壓（比噪聲水平高幾個(gè)數(shù)量級(jí)）隨著聲壓水平的增加而線性增加，這與線性材料的典型聲學(xué)響應(yīng)一致。該設(shè)備被證明對(duì)聲音刺激高度敏感，它的壓電系數(shù)（單位面積響應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生的電荷）是高分子材料本身的兩倍。
聲學(xué)纖維膜表征
轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制
作者將高壓電系數(shù)歸因于沿著排列的聚合物鏈形成的微小空隙，這些空隙圍繞著分散良好的鈦酸鋇納米粒子。在聚合物基質(zhì)、顆粒和這些細(xì)長空隙之間的界面處會(huì)產(chǎn)生電偶極子。作者推斷，偶極子數(shù)量的增加增強(qiáng)了聲音振動(dòng)產(chǎn)生的自發(fā)電荷。
編織聲學(xué)織物的制造和表征
可聽聲波產(chǎn)生的納米位移可以在織物中被有效地檢測和放大，從而形成對(duì)聲音的相干電檢測。
機(jī)織吸聲織物的制造和表征
聲學(xué)纖維的性能和形狀因數(shù)可實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。該柔性單纖維傳感器可以編織成織物，可以接收和發(fā)出聲音，識(shí)別聲音的來源，甚至監(jiān)測心跳。這些織物可機(jī)洗、堅(jiān)固且可重復(fù)生產(chǎn)。
總結(jié)
本文描述了導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)聲學(xué)織物的原理、材料和機(jī)制。由此產(chǎn)生的織物能夠有效地檢測可聽聲音，其性能與商用麥克風(fēng)相當(dāng)。在聲音方向檢測、聲學(xué)通信和心音聽診中的應(yīng)用說明了該技術(shù)的廣泛適用性。
