未来，你的衣服能听见声音，甚至“说话”

原文作者：Wenhui Song

一种混合设计的声学单纤维传感器可以被编入织物，从而实现了灵敏度和灵活性的结合。我们健康和健身追踪的未来看来会是可穿戴的——也许还是可植入的呢。

想象一下：未来会有传感器和电子设备嵌入到你的衣服里，目的在于改善生活方式和医疗保健 [ 1 ] 。有了压电纤维（它们能响应机械应力产生电信号）编成的织物，这个想法也许会成真。已有一些研究证明了使用压电材料开发可穿戴设备的潜力 [ 2 ] ，但到目前为止其性能一直受材料性质所限。Yan 等人 [ 3 ] 在《自然》上撰文，报告了一种制造混合压电纤维的创新方法，该纤维可以充当柔性、强健的声学传感器——将听觉传感推到了新高度。（相关阅读：这件背心，能听到你的心跳︱Nature Podcast）

织物传声器的设计和原理。来源：参考文献 [ 3 ]

压电材料家族包括在机械振动时产生电信号的无机化合物、有机化合物和聚合物，这些材料长期以来一直用于测量应力或压力。大多数压电无机材料显示出高压电性，但它们通常刚性、易碎，难以制造成纤维。相比之下，柔性聚合物很容易加工成纤维，其形状和尺寸可以调整，但通常压电性能低得多——比无机化合物低 200 倍（压电系数超过每牛顿 2100 皮库仑） [ 4-6 ] 。

科学家和工程师试图开发结合无机颗粒和聚合物的压电复合材料，从而利用它们各自的物理优势，克服物理局限性。尽管取得了一些成功，但这些混合材料的压电性能仍远低于预期 [ 6,7 ] 。有一种 " 混合规则 " 常被用于预测理想复合材料的性能，但似乎这一规则在功能性压电混合材料的设计和开发中已被打破，其中无论压电性还是柔韧性和纤维可加工性都会受到影响。问题在于，即使无机颗粒均匀分布，而且确实与聚合物基质牢固结合，也无法把材料的压电性能提高到能适应实际应用，同时保持其柔性 [ 8 ] 。人们认为纳米粒子的高压电性能很大程度上被绝缘聚合物基质屏蔽了 [ 6 ] 。

大多数由聚合物或复合材料制成的柔性压电声学传感器都可以将声音信号转换为电信号输出，但对真正的可穿戴电子产品来说它们的性能还是不够。如何制造出具有最佳压电性能的聚合物纤维，一种简单有效的解决方案被称为热拉伸。在这个过程中，材料被加热至柔软，然后以恒定的速度拉伸，直到它伸展成直径均匀的纤维。这种方法是由 Yan 等人同一团队的研究人员开发的 [ 9 ] 。热拉伸之后下一步工艺称为极化，其中外部电场以多个周期施加到光纤上，以在材料表面和内部产生稳定的电极化域（电偶极子）。

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沿着纤维的轴定向成型，与此同时形成电偶极子。这会导致响应机械刺激的电荷流量增加。考虑到这一点，Yan 及其同事并没有拉伸单个压电聚合物，而是通过结合热拉伸和逐步极化来拉伸整个多层设备。由此产生的单纤维传感器，成分为分散在一层排列良好的压电聚合物中的压电化合物钛酸钡纳米颗粒，这层聚合物被填充在橡胶包裹的电极之间。

该设备被证明对声音刺激高度灵敏。它的压电系数，即单位面积响应应力产生的电荷，是高分子材料本身的两倍。Yan 等人将高压电系数归因于沿着排列的聚合物链形成的微小空隙，这些空隙围绕着分散良好的钛酸钡纳米颗粒（图 1）。在聚合物基质、颗粒和这些拉长空隙之间的界面处会产生电偶极子。作者推断，偶极子数量的增加增强了声音振动产生的自发电荷。

图 1 | 具有高灵敏度和柔性的单光纤传感器。压电材料响应机械振动产生电信号，可用于构建传感器。Yan 等人 [ 3 ] 制造了一种具有高压电性的柔性纤维传感器，包括嵌入在排列良好的聚合物基质中的钛酸钡纳米颗粒，该聚合物基质夹在两个电极之间。a，作者将高压电性归因于在称为热拉伸的过程中在纳米颗粒旁边形成的孔，该过程拉伸了材料（黑色箭头显示为受力方向）。这些孔在称为极化的后续过程中导致了极化域（偶极子）的形成。偶极子数量的增加提高了通过声音振动形成的电荷的输出。b，由于传感器由聚合物制成，Yan 等人能够将其塑造成可以编织成织物的纤维。这种纤维有望应用在可穿戴设备中，用于健康监测、娱乐和通信。（改编自参考文献 [ 3 ] 的补充材料图 9。）

Yan 等人展示了他们的柔性单纤维传感器可以被编织成织物，可以接收和发出声音，可以识别声音的来源，甚至可以监测心跳。这些织物可机洗、结实而且可复制，这表明这些压电纤维可能用于可穿戴消费电子产品、声学通信和声能收集器，以及在为安全、汽车、航空航天、机器人和生物医学行业设计的设备中得到应用。具体应用可能包括无线光纤麦克风、健身追踪背心、助听器和可以实时感知和监测身体功能的植入设备。这些创新将增加人体与设备交互的方式，为人工智能中的新兴技术开辟新渠道。

嵌入衬衫的编织声学织物应用实例。来源：参考文献 [ 3 ]

尽管 Yan 等人的声学纤维应用前景广阔，但在将此类传感器用于可销售的产品之前仍存在许多挑战。受到作者控制的实验室良好环境之外的条件，肯定会影响传感器性能。影响传感器对外部条件响应的关键因素，包括将纤维传感器编织成织物的方法，以及所用其它材料的类型、质地和刚性。而且由于在现实世界中无法控制环境和织物的运动，因此不可避免地会大幅增加噪声，这可能会限制设备的感应能力，并阻碍其对输入数据的处理。

可穿戴设备的运作就像一台微型计算机，因此必须与其它电子设备集成，包括数据处理器、存储核心、通信接口和电源。这些添加物并非无关紧要——它们需要足够小且足够柔性的组件，以使集成设备保持紧凑和轻便。这一具备自供电能力的压电纤维传感器可以与高速无线通信、其他智能设备和云计算设施交互，从而可能会克服这些挑战。Yan 及其同事的发明，让可穿戴电子设备融入我们日常生活的未来更近了一步。