生活中每天都充斥著大量的聲音，我們到底是怎麼聽到這些聲音的呢？原來可聽見的聲音是作為輕微的壓力波在空氣中傳播，當這些波到達我們的耳朵時，一個極其敏感和複雜的三維器官（鼓膜或耳膜）使用圓形纖維層將壓力波轉化為機械振動。這些振動通過小骨頭進入內耳，耳蝸將這些波轉換為由大腦感知和處理的電信號。
受人類聽覺系統的啟發，來自麻省理工學院的Yoel Fink教授團隊試圖創造一種柔軟、耐用、舒適且能够檢測聲音的織物“耳朵”。如何才能做到呢？實際上通過壓電纖維編織而成的織物可能會使該想法成為現實，壓電纖維會響應機械應力而發電。
一些研究已經證明了使用壓電材料開發可穿戴設備的潜力，但到目前為止，效能一直受到資料特性的限制。壓電材料家族包括在機械振動時產生電信號的無機化合物、有機化合物和聚合物，這些資料長期以來一直用於量測應力或壓力。大多數壓電無機資料顯示出高壓電性，但它們通常是剛性的、易碎的並且難以製造成纖維。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整，但通常具有比無機化合物低得多的壓電效能——比無機化合物低200倍（壓電係數超過2100皮庫侖/牛頓）。科學家和工程師試圖開發結合無機顆粒和聚合物的壓電複合材料，以利用它們的優勢並克服它們的局限性。儘管取得了一些成功，但這些混合資料的壓電效能仍遠低於預期。“混合物規則”通常用於預測理想複合材料的效能，但似乎在功能性壓電混合資料的設計和開發中，這一規則已被打破，壓電性或柔韌性以及纖維可加工性都會受到影響。
大多數由聚合物或複合材料製成的柔性壓電聲學感測器都可以將聲音訊號轉換為電輸出，但它們的效能對於真正的可穿戴電子產品來說是有限的。製造具有最佳壓電效能的聚合物纖維的一種簡單有效的策略稱為熱拉伸。在這個過程中，資料先被加熱至柔軟狀態，然後以恒定的速度拉伸，最後伸長成直徑均勻的纖維。拉伸和極化的結合可以產生協同效應，使大分子鏈及其晶體結構在形成時沿著纖維的軸定向，以及誘導電偶極子。這導致響應於機械刺激的電荷流量新增。
Figure 1.聲學織物
鑒於此，來自麻省理工學院的Yoel Fink教授團隊設計了一種織物，該織物可用作靈敏的可聽麥克風，同時保留織物的傳統品質，例如可機洗性和懸垂性。織物介質由棉經緯紗中的高楊氏模量紡織紗線組成，將可聽頻率的107個大氣壓的微弱壓力波轉換為低階機械振動模式。織入織物的是熱拉伸複合壓電纖維，它與織物貼合併將機械振動轉換為電信號。光纖靈敏度的關鍵是彈性包層，它將機械應力集中在壓電複合材料層中，壓電電荷係數約為46 皮庫侖/牛頓。由於纖維占織物體積的比例不到0.1%，單根纖維拉絲可實現數十平方米的織物麥克風。三種不同的應用體現了這項研究的實用性：具有雙聲學纖維的機織襯衫量測聲脈衝的精確方向，在用作聲音發射器和接收器的兩種織物之間建立雙向通信，以及聽診心臟聲音訊號的襯衫。相關研究成果以題為“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”發表在最新一期《Nature》上。中國留學生Wei Yan為第一作者。
【“聲學織物”設計與原理】
從涉及將壓力轉換為機械到電激發的聽覺轉導序列、聽覺系統中纖維的重要性，以及纖維在聽覺系統中的重要性中汲取靈感，作者介紹了一種具有類似轉導路徑的方法，該方法利用纖維使微擾織物能够有效地將壓力波轉換為電輸出（圖1）。
圖1.織物麥克風的設計和原理
【光纖設計和製造】
圖2a概述了壓電纖維的設計和製造。該過程從構建宏觀預製件開始。活性層是由壓電聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））和壓電鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷顆粒組成的複合材料。生產高度均勻的40米長纖維證明了所需的精確尺寸控制水准（圖2b）。所有資料的穩定流動保持了從預製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電極之間的介面表現出良好的粘附性（圖2e，f）。納米顆粒在粘性流動期間保持其均勻分佈（圖2g））。熱拉伸過程沿拉伸方向排列聚合物鏈。
圖2.聲學纖維的製造和表徵
【纖維膜模型】
一旦拉制並極化，獨立的壓電纖維就會對可聽範圍內的聲波做出響應（圖3a）。光纖和膜機械振動模式之間的强耦合產生的電輸出比獨立光纖高兩個數量級（圖3b）。輸出電壓（比雜訊水准高幾個數量級）隨著聲壓水准的新增而線性新增，這與線性資料的典型聲學響應一致。該設備被證明對聲音刺激高度敏感，它的壓電係數（組織面積響應應力產生的電荷）是高分子材料本身的兩倍。
圖3.聲學纖維膜表徵
【轉導機制】
作者將高壓電係數歸因於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、顆粒和這些細長空隙之間的介面處會產生電偶極子。作者推斷，偶極子數量的新增增强了聲音振動產生的自發電荷。
【編織聲學織物的製造和表徵】
憑藉對轉導機制的見解，作者使用傳統織機構造了兩種具有不同楊氏模量的平紋織物（圖4a）。第一種織物由經向和緯向的棉紗組成（圖4c）。這種織物具有較低的模量，由短纖維製成。第二種織物在緯向具有相同的棉經線但高模量Twaron長絲紗線（圖4b，c）。頻率回應特性表明，Twaron長絲紗織物的效能優於棉織物（圖4c）。圖4d表明由可聽聲波產生的納米位移可以在織物中被有效地檢測和放大，從而形成對聲音的相干電檢測。
圖4.機織吸聲織物的製造和表徵
【應用】
聲學纖維的效能和形狀因數可實現廣泛的應用（圖5）。該柔性單纖維感測器可以編織成織物，可以接收和發出聲音，識別聲音的來源，甚至監測心跳。這些織物可機洗、堅固且可重複生產。
圖5.集成到襯衫中的編織聲學織物的應用示例
【總結】
本文描述了導致實現聲學織物的原理、資料和機制。由此產生的織物能够有效地檢測可聽聲音，其效能與商用麥克風相當。在聲音方向檢測、聲學通信和心音聽診中的應用說明了該科技的廣泛適用性。