这是一件神奇的背心，穿上它，就能清楚地听见你的心跳。

它的特殊之处在于面料。其主要研发者、当时在美国麻省理工学院从事博士后工作的严威告诉《明升中国app报》：“我们使用的不是普通纱线，而是智能声学纤维。”

北京时间3月17日，美国麻省理工学院教授Yoel Fink团队在Nature报道了他们最新研发的一款声学织物，它可以像人的耳朵一样，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。

与此同时，它并不娇气，可以多次机洗都完好无损。

严威是论文第一作者，现任新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院及材料app与工程学院双聘助理教授、博士生导师。

获知论文上线的消息后，严威发出感叹：“由于疫情，这篇论文险与Nature失之交臂。”

灵感来自人耳

音乐大厅墙面的隔音棉、地面的地毯，这些织物都起到了吸收声音的作用。

近年来，随着声学织物（Acoustic Fabrics）这门学科的出现，学术界一直将织物用作高效的声音吸收器。

因为织物是由相互缠绕的纱线组成的分层结构，该结构具有非常庞大而复杂的界面，这些界面能高效地散射并消散传播的声子，并将承载有效信息的机械振动耗散为无用的热能。

那么，织物是否可以作为一个有效的声音收集器，来监测并处理微弱的可听信号？

这是一个前所未有的、具有挑战性的问题。

Yoel Fink团队选择向这个难题发起攻关，但在研究之初就遇到了难以想象的困难。

“该领域的研究文献一片空白。”严威说，“从织物的材料和结构设计，到制备和表征，这是一个庞大而复杂的系统，我们应该从哪里突破呢？”

人耳给研究团队提供了灵感。

在人类听觉系统中，一个关键结构就是鼓膜。鼓膜由周向和径向的高模量纤维构成，它位于外耳和中耳之间。

当耳朵接收到声音后，鼓膜先将声压转变成中耳骨的机械振动，这种转换会造成声音的衰减，而鼓膜的结构能放大传入的声波，弥补衰减。然后，这种振动被传送到内耳的耳蜗。在耳蜗中，纤维状的毛束发生偏转，最终将机械振动转化为电信号，再由神经系统接收，人就能听见声音。

受此启发，研究团队设计了一款全新的声学织物。与听觉系统复杂的三维结构不同，这款织物是平面状的，由织物基体与编织进去的纤维传感器组成。

其中，织物基体由高模量纱线与棉线构造，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。由于声音的分贝不同，纤维振动并产生与外界声音强度成比例的电流，就好像手持麦克风。

研究团队将传统纱线与热拉制纤维用标准织机编织出面料。（严威供图）

面料舒适洗不坏

新的问题也随之出现，这类全新的声学织物能否像普通衣服一样穿戴舒适、美观、透气、防汗且耐受机洗？

衣服的舒适度跟面料的组成材料有很大关系，这款声学织物的一种关键组分是热拉制纤维传感器。研究发现，纤维“内硬外软”，可以高效地将机械振动产生的形变能集中分布在纤芯；纤维的非对称结构，可以让纤维在形变时产生更大的应变。

这种类似橡皮泥的纤维不仅可以承受复杂的弯曲与扭曲等变形，其电容在3000次弯曲或扭曲循环变形后仍可以保持稳定不变。

关于热拉技术，严威介绍，该技术可以将具有不同的电、光、声、热和机械性能的材料，甚至微纳芯片一步集成到单根纤维中，所制备的纤维具有极其精致的宏观微观结构和复杂多样的功能。

随后，Yoel Fink团队将传统纱线与热拉制纤维用标准织机编织出面料。“它比粗斜纹棉布轻，但又比衬衫面料重，穿在身上就像一件轻薄的夹克。”团队研究人员这样说。

这款声学织物面料不仅穿着舒适，还洗不坏。

经过10次机洗循环测试后，织物依旧保持其稳定的电学特性与声学特性。为了进一步测试面料的性能，严威将该面料制成的背心接触到人体胸部，准确地捕获到一名志愿者的心跳，以及心跳的细微变化。

该面料制成的背心接触到人体胸部，可以监测到心跳。（严威供图）

严威说：“这种织物可以不知不觉地与人体皮肤接触，使佩戴者能够以舒适、连续、实时和长期的方式监测他们的心脏和呼吸健康状况。”

除了监测心跳和呼吸之外，Yoel Fink团队还发现，如果将声学织物融入孕妇服，可以帮助监测婴儿的胎儿心跳。

回复审稿人质疑

这项研究从立题到成稿，用了两年半时间。当严威自信满满地向Nature发出投稿后，却遭遇了审稿人的质疑：“你们能否原位实时地测量声波与织物的交互过程？”

严威很清楚地知道这个表征工作的必要性，但当时美国疫情非常严重，能在实验室工作的时间很有限。“表征织物与声音的交互几乎没有任何参考文献，也就是说，我们要自己建立一套标准。”

考虑到风险与时间成本极大，Yoel Fink建议严威放弃Nature，转投要求低一些的杂志。

严威

严威并没有听从导师的建议。他一边继续研究文献，一边开始学习激光多普勒测振仪的工作原理与使用方法。

由于实验室以前没有人做声学织物相关的研究工作，也没有配备激光多普勒测振仪。这种仪器的售价约80万美元，现买一套并不现实。严威开始跟仪器公司商量，能否短期租用设备。虽然对方同意了，但租金很贵，实验室只能提供两个星期的租借费。

也就是说，严威必须要在两周内建立表征声学织物的标准，并且拿到漂亮的数据，解决审稿人提出的问题。

实验刚开始进展并不顺利。严威发现织物的边界条件极其敏感地影响着整体的振动。他尝试了十几种方法去控制织物的边界条件，每一次都以失败告终。

那段时间对严威来说是非常辛苦的，他至今仍清楚地记得自己一个人在麻省理工学院的媒体实验室（MIT Media Lab）捣鼓实验到凌晨2～3点的场景。

慢慢地他摸索出了正确的方向，建立了制备这类全新的声学织物一套初步的标准，从材料、纤维结构设计与制备、织物结构设计与制备、织物的声学表征到性能优化策略，最终完美地回复了审稿人的质疑。

“这是非常了不起的、令人倾佩的成果！”三位审稿人对这部分成果给出了非常高的评价。

在严威的个人履历中，也透露出他身上坚韧不拔的气质和稳扎稳打的研究积累。

从中南大学粉末冶金研究院本科毕业后，他被保送至明升中国app院金属研究所攻读硕士学位，师从李殿中研究员，研究领域也从航空航天用的粉末冶金材料，转换成钢铁材料的相变问题。

本硕阶段的理论学习让严威积累了比较扎实的材料学科基础。取得硕士学位后，他前往瑞士洛桑联邦理工学院攻读博士学位，并开始从事功能材料与电子纤维器件的研究。

这是一个高度交叉的学科，也是国际学术上热门的前沿研究方向。纤维将传统纺织制造、信息通讯、人工智能、明升m88健康、脑app、医疗机器人、空天科技等领域有机地串联起来，正在孕育新的学科方向与前沿技术，有望更好地服务于人类。

严威的博士学位论文获瑞士联邦理工2019 Prof. René Wasserman Award奖，他也是当年唯一的获奖人。

谈及自己研究工作的应用未来，严威有着很多憧憬，比如将声学织物应用于航天器外壳，倾听和收集太空的声音和灰尘；将声学织物嵌入建筑物中，以检测裂缝或应变；穿上声学织物的衣服，听觉障碍者与语言障碍者有望无障碍地交流与沟通；用纤维材料编织一个智能网，监控海洋中的鱼类……

相关论文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-022-04476-9