作者 | 沈春蕾
這是一件神奇的背心，穿上它，就能清楚地聽見你的心跳。
它的特殊之處在于面料。其主要研發者、當時在美國麻省理工學院從事博士後工作的嚴威告訴《中國科學報》：“我們使用的不是普通紗線，而是智能聲學纖維。”
北京時間3月17日，美國麻省理工學院教授Yoel Fink團隊在Nature報道了他們最新研發的一款聲學織物，它可以像人的耳朵一樣，首先將聲音轉換爲機械振動，然後轉換爲電信號，通過這種方式，聽見並記錄微弱的聲音。
與此同時，它並不嬌氣，可以多次機洗都完好無損。
嚴威是論文第一作者，現任新加坡南洋理工大學電子與電氣工程學院及材料科學與工程學院雙聘助理教授、博士生導師。
獲知論文上線的消息後，嚴威發出感歎：“由于疫情，這篇論文險與Nature失之交臂。”
靈感來自人耳
音樂大廳牆面的隔音棉、地面的地毯，這些織物都起到了吸收聲音的作用。
近年來，隨著聲學織物（Acoustic Fabrics）這門學科的出現，學術界一直將織物用作高效的聲音吸收器。
因爲織物是由相互纏繞的紗線組成的分層結構，該結構具有非常龐大而複雜的界面，這些界面能高效地散射並消散傳播的聲子，並將承載有效信息的機械振動耗散爲無用的熱能。
那麽，織物是否可以作爲一個有效的聲音收集器，來監測並處理微弱的可聽信號？
這是一個前所未有的、具有挑戰性的問題。
Yoel Fink團隊選擇向這個難題發起攻關，但在研究之初就遇到了難以想象的困難。
“該領域的研究文獻一片空白。”嚴威說，“從織物的材料和結構設計，到制備和表征，這是一個龐大而複雜的系統，我們應該從哪裏突破呢？”
人耳給研究團隊提供了靈感。
在人類聽覺系統中，一個關鍵結構就是鼓膜。鼓膜由周向和徑向的高模量纖維構成，它位于外耳和中耳之間。
當耳朵接收到聲音後，鼓膜先將聲壓轉變成中耳骨的機械振動，這種轉換會造成聲音的衰減，而鼓膜的結構能放大傳入的聲波，彌補衰減。然後，這種振動被傳送到內耳的耳蝸。在耳蝸中，纖維狀的毛束發生偏轉，最終將機械振動轉化爲電信號，再由神經系統接收，人就能聽見聲音。
受此啓發，研究團隊設計了一款全新的聲學織物。與聽覺系統複雜的三維結構不同，這款織物是平面狀的，由織物基體與編織進去的纖維傳感器組成。
其中，織物基體由高模量紗線與棉線構造，可像鼓膜一樣高效地將聲壓轉化爲機械振動。然後，纖維傳感器像耳蝸一樣將機械振動轉化爲電信號，從而監測並記錄聲音。
無論是在安靜的圖書館中，還是在交通繁忙的道路上，這種織物都可以捕捉聲音，並且還能確定諸如拍手之類的突然響聲的精確方向。由于聲音的分貝不同，纖維振動並産生與外界聲音強度成比例的電流，就好像手持麥克風。
研究團隊將傳統紗線與熱拉制纖維用標准織機編織出面料。（嚴威供圖）
面料舒適洗不壞
新的問題也隨之出現，這類全新的聲學織物能否像普通衣服一樣穿戴舒適、美觀、透氣、防汗且耐受機洗？
衣服的舒適度跟面料的組成材料有很大關系，這款聲學織物的一種關鍵組分是熱拉制纖維傳感器。研究發現，纖維“內硬外軟”，可以高效地將機械振動産生的形變能集中分布在纖芯；纖維的非對稱結構，可以讓纖維在形變時産生更大的應變。
這種類似橡皮泥的纖維不僅可以承受複雜的彎曲與扭曲等變形，其電容在3000次彎曲或扭曲循環變形後仍可以保持穩定不變。
關于熱拉技術，嚴威介紹，該技術可以將具有不同的電、光、聲、熱和機械性能的材料，甚至微納芯片一步集成到單根纖維中，所制備的纖維具有極其精致的宏觀微觀結構和複雜多樣的功能。
隨後，Yoel Fink團隊將傳統紗線與熱拉制纖維用標准織機編織出面料。“它比粗斜紋棉布輕，但又比襯衫面料重，穿在身上就像一件輕薄的夾克。”團隊研究人員這樣說。
這款聲學織物面料不僅穿著舒適，還洗不壞。
經過10次機洗循環測試後，織物依舊保持其穩定的電學特性與聲學特性。爲了進一步測試面料的性能，嚴威將該面料制成的背心接觸到人體胸部，准確地捕獲到一名志願者的心跳，以及心跳的細微變化。
該面料制成的背心接觸到人體胸部，可以監測到心跳。（嚴威供圖）
嚴威說：“這種織物可以不知不覺地與人體皮膚接觸，使佩戴者能夠以舒適、連續、實時和長期的方式監測他們的心髒和呼吸健康狀況。”
除了監測心跳和呼吸之外，Yoel Fink團隊還發現，如果將聲學織物融入孕婦服，可以幫助監測嬰兒的胎兒心跳。
回複審稿人質疑
這項研究從立題到成稿，用了兩年半時間。當嚴威自信滿滿地向Nature發出投稿後，卻遭遇了審稿人的質疑：“你們能否原位實時地測量聲波與織物的交互過程？”
嚴威很清楚地知道這個表征工作的必要性，但當時美國疫情非常嚴重，能在實驗室工作的時間很有限。“表征織物與聲音的交互幾乎沒有任何參考文獻，也就是說，我們要自己建立一套標准。”
考慮到風險與時間成本極大，Yoel Fink建議嚴威放棄Nature，轉投要求低一些的雜志。
嚴威
嚴威並沒有聽從導師的建議。他一邊繼續研究文獻，一邊開始學習激光多普勒測振儀的工作原理與使用方法。
由于實驗室以前沒有人做聲學織物相關的研究工作，也沒有配備激光多普勒測振儀。這種儀器的售價約80萬美元，現買一套並不現實。嚴威開始跟儀器公司商量，能否短期租用設備。雖然對方同意了，但租金很貴，實驗室只能提供兩個星期的租借費。
也就是說，嚴威必須要在兩周內建立表征聲學織物的標准，並且拿到漂亮的數據，解決審稿人提出的問題。
實驗剛開始進展並不順利。嚴威發現織物的邊界條件極其敏感地影響著整體的振動。他嘗試了十幾種方法去控制織物的邊界條件，每一次都以失敗告終。
那段時間對嚴威來說是非常辛苦的，他至今仍清楚地記得自己一個人在麻省理工學院的媒體實驗室（MIT Media Lab）搗鼓實驗到淩晨2～3點的場景。
慢慢地他摸索出了正確的方向，建立了制備這類全新的聲學織物一套初步的標准，從材料、纖維結構設計與制備、織物結構設計與制備、織物的聲學表征到性能優化策略，最終完美地回複了審稿人的質疑。
“這是非常了不起的、令人傾佩的成果！”三位審稿人對這部分成果給出了非常高的評價。
在嚴威的個人履曆中，也透露出他身上堅韌不拔的氣質和穩紮穩打的研究積累。
從中南大學粉末冶金研究院本科畢業後，他被保送至中國科學院金屬研究所攻讀碩士學位，師從李殿中研究員，研究領域也從航空航天用的粉末冶金材料，轉換成鋼鐵材料的相變問題。
本碩階段的理論學習讓嚴威積累了比較紮實的材料學科基礎。取得碩士學位後，他前往瑞士洛桑聯邦理工學院攻讀博士學位，並開始從事功能材料與電子纖維器件的研究。
這是一個高度交叉的學科，也是國際學術上熱門的前沿研究方向。纖維將傳統紡織制造、信息通訊、人工智能、生命健康、腦科學、醫療機器人、空天科技等領域有機地串聯起來，正在孕育新的學科方向與前沿技術，有望更好地服務于人類。
嚴威的博士學位論文獲瑞士聯邦理工2019 Prof. René Wasserman Award獎，他也是當年唯一的獲獎人。
談及自己研究工作的應用未來，嚴威有著很多憧憬，比如將聲學織物應用于航天器外殼，傾聽和收集太空的聲音和灰塵；將聲學織物嵌入建築物中，以檢測裂縫或應變；穿上聲學織物的衣服，聽覺障礙者與語言障礙者有望無障礙地交流與溝通；用纖維材料編織一個智能網，監控海洋中的魚類……
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04476-9