一种可以实时监测心跳的声学织物

在我们日常生活中有各种不同的声音，人类是如何识别自然界中的各种声音的？其中的原理就是这些声音都有自己的固有频率，它们作为轻微的压力波在空气中传播，当这些特定的波传到人的耳朵后，结构复杂的鼓膜或者耳膜将压力波转为机械振动。而这些振动通过耳蜗将波信号转化为由大脑感知和处理的电流信号，从而使人能听到不同的声音。近期，麻省理工学院研究团队研发了一款声学织物，该织物模拟人的耳朵功能，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。相关研究成果以“Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations”为题发表在《Nature》上。

在材料设计过程中，最重要的环节就是如何将微弱的压电信号转化为电信号。在压电材料中，压电无机材料显示出高压电性能，但是由于刚性、易碎的特性使其很难加工成纤维。而聚合物表现出易加工特点，制备的纤维其形状和尺寸均可调整，但其压电性能远远低于无机材料。据此，研究团队试图开发复合材料即结合无机材料和高分子材料的优势来制备压电复合材料，通过它们各自的优势从而克服其局限性。

研究团队利用热拉伸策略制造了具有最佳压电性能的聚合物纤维。首先将材料加热至柔软状态，然后以恒定的速度拉伸，最后伸长成直径均匀的纤维。拉伸和极化的结合可以产生协同效应，使大分子链及其晶体结构在形成时沿着纤维的轴定向，以及诱导电偶极子，这导致响应于机械刺激的电荷流量增加，从而极大地改善了压电性能。制备的织物基体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。

据了解，该柔性单纤维传感器能编织成织物，可以接收和发出声音，识别声音的来源，甚至监测心跳。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9

文章来源：高分子科学前沿、科学网