MIT中國博士后研發出可實時監測心跳的聲學織物 或將推動醫學發展

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，當這些波到達我們的耳朵時，一個極其敏感和復雜的三維器官（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、舒適且能夠檢測聲音的織物“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，這些材料長期以來一直用于測量應力或壓力。大多數壓電無機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整，但通常具有比無機化合物低得多的壓電性能——比無機化合物低200倍（壓電系數超過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復合材料，以利用它們的優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低于預期。“混合物規則”通常用于預測理想復合材料的性能，但似乎在功能性壓電混合材料的設計和開發中，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。　　大多數由聚合物或復合材料制成的柔性壓電聲學傳感器都可以將聲音信號轉換為電輸出，但它們的性能對于真正的可穿戴電子產品來說是有限的。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。在這個過程中，材料先被加熱至柔軟狀態，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。這導致響應于機械刺激的電荷流量增加。聲學織物　　鑒于此，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復合壓電纖維，它與織物貼合并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復合材料層中，壓電電荷系數約為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測量聲脈沖的精確方向，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，以及聽診心臟聲音信號的襯衫。

“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夠有效地將壓力波轉換為電輸出。　　該過程從構建宏觀預制件開始。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）陶瓷顆粒組成的復合材料。所有材料的穩定流動保持了從預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出良好的粘附性。納米顆粒在粘性流動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。聲學纖維的制造和表征　　一旦拉制并極化，獨立的壓電纖維就會對可聽范圍內的聲波做出響應。光纖和膜機械振動模式之間的強耦合產生的電輸出比獨立光纖高兩個數量級。輸出電壓（比噪聲水平高幾個數量級）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響應一致。該設備被證明對聲音刺激高度敏感，它的壓電系數（單位面積響應應力產生的電荷）是高分子材料本身的兩倍。聲學纖維膜表征　　轉導機制　　作者將高壓電系數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、顆粒和這些細長空隙之間的界面處會產生電偶極子。作者推斷，偶極子數量的增加增強了聲音振動產生的自發電荷。編織聲學織物的制造和表征　　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。機織吸聲織物的制造和表征　　聲學纖維的性能和形狀因數可實現廣泛的應用。該柔性單纖維傳感器可以編織成織物，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、堅固且可重復生產。總結　　本文描述了導致實現聲學織物的原理、材料和機制。由此產生的織物能夠有效地檢測可聽聲音，其性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技術的廣泛適用性。

標簽： 機械振動 復合材料 無機化合物