原文作者：Wenhui Song

一種混合設計的聲學單纖維傳感器可以被編入織物，從而實現(xiàn)了靈敏度和靈活性的結(jié)合。我們健康和健身追蹤的未來看來會是可穿戴的——也許還是可植入的呢。

想象一下：未來會有傳感器和電子設備嵌入到你的衣服里，目的在于改善生活方式和醫(yī)療保健 [ 1 ] 。有了壓電纖維（它們能響應機械應力產(chǎn)生電信號）編成的織物，這個想法也許會成真。已有一些研究證明了使用壓電材料開發(fā)可穿戴設備的潛力 [ 2 ] ，但到目前為止其性能一直受材料性質(zhì)所限。Yan 等人 [ 3 ] 在《自然》上撰文，報告了一種制造混合壓電纖維的創(chuàng)新方法，該纖維可以充當柔性、強健的聲學傳感器——將聽覺傳感推到了新高度。（相關閱讀：這件背心，能聽到你的心跳︱Nature Podcast）

織物傳聲器的設計和原理。來源：參考文獻 [ 3 ]

壓電材料家族包括在機械振動時產(chǎn)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(shù)壓電無機材料顯示出高壓電性，但它們通常剛性、易碎，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(diào)整，但通常壓電性能低得多——比無機化合物低 200 倍（壓電系數(shù)超過每牛頓 2100 皮庫侖） [ 4-6 ] 。

科學家和工程師試圖開發(fā)結(jié)合無機顆粒和聚合物的壓電復合材料，從而利用它們各自的物理優(yōu)勢，克服物理局限性。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 [ 6,7 ] 。有一種 " 混合規(guī)則 " 常被用于預測理想復合材料的性能，但似乎這一規(guī)則在功能性壓電混合材料的設計和開發(fā)中已被打破，其中無論壓電性還是柔韌性和纖維可加工性都會受到影響。問題在于，即使無機顆粒均勻分布，而且確實與聚合物基質(zhì)牢固結(jié)合，也無法把材料的壓電性能提高到能適應實際應用，同時保持其柔性 [ 8 ] 。人們認為納米粒子的高壓電性能很大程度上被絕緣聚合物基質(zhì)屏蔽了 [ 6 ] 。

大多數(shù)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(zhuǎn)換為電信號輸出，但對真正的可穿戴電子產(chǎn)品來說它們的性能還是不夠。如何制造出具有最佳壓電性能的聚合物纖維，一種簡單有效的解決方案被稱為熱拉伸。在這個過程中，材料被加熱至柔軟，然后以恒定的速度拉伸，直到它伸展成直徑均勻的纖維。這種方法是由 Yan 等人同一團隊的研究人員開發(fā)的 [ 9 ] 。熱拉伸之后下一步工藝稱為極化，其中外部電場以多個周期施加到光纖上，以在材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的電極化域（電偶極子）。

拉伸和極化的結(jié)合可以產(chǎn)生協(xié)同效應，使大分子鏈及其晶體結(jié)構(gòu)沿著纖維的軸定向成型，與此同時形成電偶極子。這會導致響應機械刺激的電荷流量增加。考慮到這一點，Yan 及其同事并沒有拉伸單個壓電聚合物，而是通過結(jié)合熱拉伸和逐步極化來拉伸整個多層設備。由此產(chǎn)生的單纖維傳感器，成分為分散在一層排列良好的壓電聚合物中的壓電化合物鈦酸鋇納米顆粒，這層聚合物被填充在橡膠包裹的電極之間。

該設備被證明對聲音刺激高度靈敏。它的壓電系數(shù)，即單位面積響應應力產(chǎn)生的電荷，是高分子材料本身的兩倍。Yan 等人將高壓電系數(shù)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顆粒（圖 1）。在聚合物基質(zhì)、顆粒和這些拉長空隙之間的界面處會產(chǎn)生電偶極子。作者推斷，偶極子數(shù)量的增加增強了聲音振動產(chǎn)生的自發(fā)電荷。

圖 1 | 具有高靈敏度和柔性的單光纖傳感器。壓電材料響應機械振動產(chǎn)生電信號，可用于構(gòu)建傳感器。Yan 等人 [ 3 ] 制造了一種具有高壓電性的柔性纖維傳感器，包括嵌入在排列良好的聚合物基質(zhì)中的鈦酸鋇納米顆粒，該聚合物基質(zhì)夾在兩個電極之間。a，作者將高壓電性歸因于在稱為熱拉伸的過程中在納米顆粒旁邊形成的孔，該過程拉伸了材料（黑色箭頭顯示為受力方向）。這些孔在稱為極化的后續(xù)過程中導致了極化域（偶極子）的形成。偶極子數(shù)量的增加提高了通過聲音振動形成的電荷的輸出。b，由于傳感器由聚合物制成，Yan 等人能夠?qū)⑵渌茉斐煽梢跃幙棾煽椢锏睦w維。這種纖維有望應用在可穿戴設備中，用于健康監(jiān)測、娛樂和通信。（改編自參考文獻 [ 3 ] 的補充材料圖 9。）

Yan 等人展示了他們的柔性單纖維傳感器可以被編織成織物，可以接收和發(fā)出聲音，可以識別聲音的來源，甚至可以監(jiān)測心跳。這些織物可機洗、結(jié)實而且可復制，這表明這些壓電纖維可能用于可穿戴消費電子產(chǎn)品、聲學通信和聲能收集器，以及在為安全、汽車、航空航天、機器人和生物醫(yī)學行業(yè)設計的設備中得到應用。具體應用可能包括無線光纖麥克風、健身追蹤背心、助聽器和可以實時感知和監(jiān)測身體功能的植入設備。這些創(chuàng)新將增加人體與設備交互的方式，為人工智能中的新興技術開辟新渠道。

嵌入襯衫的編織聲學織物應用實例。來源：參考文獻 [ 3 ]

盡管 Yan 等人的聲學纖維應用前景廣闊，但在將此類傳感器用于可銷售的產(chǎn)品之前仍存在許多挑戰(zhàn)。受到作者控制的實驗室良好環(huán)境之外的條件，肯定會影響傳感器性能。影響傳感器對外部條件響應的關鍵因素，包括將纖維傳感器編織成織物的方法，以及所用其它材料的類型、質(zhì)地和剛性。而且由于在現(xiàn)實世界中無法控制環(huán)境和織物的運動，因此不可避免地會大幅增加噪聲，這可能會限制設備的感應能力，并阻礙其對輸入數(shù)據(jù)的處理。

可穿戴設備的運作就像一臺微型計算機，因此必須與其它電子設備集成，包括數(shù)據(jù)處理器、存儲核心、通信接口和電源。這些添加物并非無關緊要——它們需要足夠小且足夠柔性的組件，以使集成設備保持緊湊和輕便。這一具備自供電能力的壓電纖維傳感器可以與高速無線通信、其他智能設備和云計算設施交互，從而可能會克服這些挑戰(zhàn)。Yan 及其同事的發(fā)明，讓可穿戴電子設備融入我們?nèi)粘Ｉ畹奈磥砀艘徊健?/p>