“听得见”的衣服,将对世界带来什么改变? -2022世界杯买球

文/观察未来科技

智能技术的发展,让我们得以进入一个可以随时被追踪的时代。社交互联网追踪了我们的新消息、链接、提醒以及生活中其他文件在内的流动信息,智能手表追踪了包括我们的睡眠、心跳、血氧等在内的健康数据,而这种“可被追踪”的范围还将随着更多传感器的接入而进一步扩大。

现在,纤维技术的突破正让我们日常的衣物拥有“听得到”的能力,衣服正在由简单的棉、麻、绸等形态慢慢地转化为高度集成的电子器件、智能系统甚至计算平台。这类全新的织物将传统纺织制造、信息通讯、人工智能、生命健康、等领域有机地串联起来,还将对我们的数字生活带来怎样的改变?

“听得见”的衣服

声学织物最近的一次突破来自美国麻省理工学院的yoel fink等研究者。

四个月前,美国麻省理工学院的yoel fink等研究人员在《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

本质上来看,织物是由相互缠绕的纱线制成的分层结构,这些纱线由加捻的短纤维或长丝纤维相互扭转弯曲组成。因此,这种层级结构具有非常庞大而复杂的界面,这些界面散射并消散传播的声子,将声音的震动耗散为热能。几千年以来,织物一直被用作高效的声音吸收器。

在自然界中,纤维常常起到传递声音的作用,而不是耗散声音。比如,在人类的听觉系统中,鼓膜负责解决耳道中的空气和内耳中的液体之间的声学阻抗不匹配,它恰好是由周向和径向的高模量纤维构成。鼓膜先将声压转变成中耳骨的机械振动,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,由神经系统接收。

受启发于听觉系统将声压转化为机械振动,再将机械振动转化为电信号这样一种有序的传导机制,以及纤维在听觉系统中的重要性,美国麻省理工学院的研究人员希望开发出一种面料,可以作为灵敏的听觉麦克风。

然而,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。

因此,研究人员们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。遗憾的是,很长一段时间以来,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。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。

面对这些混合材料有限的压电性能,麻省理工学院的研究人员采用了一种简单有效的世界杯买球方法的解决方案——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。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。

不过,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。基于此,研究人员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。

就其自身而言,压电纤维对可听范围内的声波做出响应。并且,该纤维具有更高的压电电荷系数,它还表现出优于其他类似压电材料的性能。当研究人员将纤维安装在聚酯薄膜(一种聚酯薄膜)上时,由于纤维与薄膜中的机械振动之间的强耦合,电输出要高出两个数量级。在使用音量从安静的图书馆到拥挤的交通的录制声音的测试中,输出电压随声级线性增加。

第二层皮肤

面对这种可以作为灵敏的听觉麦克风的面料,随后的试验也令人非常惊喜。

研究人员将twaron 的硬纤维制成的织物制作了一件衬衫,并在胸部区域加入了一根压电纤维。结果发现,该衣服可以精准探测声源的方向,平均误差为1.7度。声源方向性监测对于佩戴助听器的人来说是非常有用的,有望在消除背景噪音的同时让其只听特定方向的声音,同时对于寻求监测枪声来源的执法部门也是很用的。除了感应声音外,该织物还可以播放可听的声音。

两件衬衫可以实现双向声学通信,发射的语音和接收的语音之间具有匹配的时域波形和频域频谱。这有利于实现人与人间的声学通信,这对失聪或听力困难的人、隐蔽通信、甚至水下通信有很好的应用前景。

此外,研究人员还发现,这件衣服可以准确地听到和测量穿着者的心跳,并且能够检测到不同的心音。研究人员表示,除了测量心脏功能外,这种织物还可以监测呼吸,并可以融入孕妇装以监测婴儿的胎儿心跳。

当然,虽然这已经是纤维技术的一项重要突破,但比起这种穿在皮肤上的技术更进一步的方法,就是继续给织物添加新的传感器和感官功能。随着传感器的接入,未来的衣物或许还将将获得视力以及gps定位能力。同时,我们可以一步步地添加一些新能力,比如感温探测、分子敏感性,也就是嗅觉,以及一些超人才有的能力,比如x光透视,含氧量探测,或者癌症检测。

此前,谷歌公司资助的project jacquard中使用的实验性智能布料中就使用了导电线和柔性传感器,织成了一件可以与之互动的衬衫。就像我们在平板上做的一样,用一只手的手指在另一只手臂的袖子上滑动,而这样做的目的跟平板无二,只不过,这块屏幕变成了我们日常的衣服。

智能衣物的一个例子是美国东北大学研发的原型——squid。它可以感觉出人体的姿势,并以量化的方式记录下来,然后启动衬衫中的“肌肉”模块进行准确地收缩以保证你处于正确的姿势,就像是一个教练所做的指导一样。

这些功能使得我们的衣服可以对我们进行反馈,与我们互动,它们还可以自我调整以配合我们的使用。而互动发生的区域将会进一步向人体延伸。相比手表和手机,智能衣物将会离我们更近。互动过程会变得更为亲密,一直发生着,并且无处不在。当然,互动性是双向的,所以这些感官能力借助技术反过来也提升了我们与技术的互动水平。

最终,我们将实现的最大程度的互动会要求我们跳入到技术本身,这也正是虚拟现实技术一直在努力的方向。在一个虚拟技术塑造的世界中,我们和他人之间的互动是以一种虚拟现实的方式开展的,与物质世界的互动同样如此,而对于虚拟现实技术来说,一件可以感知的衣物无疑是互动的最好载体之一。那个时候,智能织物也就名副其实地成为我们的第二层皮肤。

一个互动的世界

显然,随着传感器的接入,我们将走向一个互动程度越来越高的世界,各种各样的传感器会捕捉我们的动作、追踪我们的眼睛、识别我们的情绪。

其中,非常重要的一点是,几乎我们所测量的每种生物特征信息就个体层面而言都是独一无二的。我们的心跳模式是独一无二的,步态是独一无二的,我们使用最频繁的词汇,坐下时的姿势,眨眼的频率,以及声音,这些都是与他人不同的。当这些信息组合起来时,就可以形成一套几乎无法被仿造的元模式。

一方面,这套无法被仿造的元模式会在虚拟世界也复刻出一个独一无二的我们。在技术化的世界里,系统会核查一个人的各种属性,包括脉搏、呼吸、心率、声音、面孔、虹膜,以及数十种其他难以察觉的生物签名,并将这些信息与其声称的那个人的特征匹配判断。这样,我们的互动方式将成为我们的密码。

当然,互动的程度在提升,并且将继续提升。但高互动性也会带来一定的成本。想要互动,就需要掌握技能、学会配合、多加体验,并加强学习。我们需要把自己嵌入到技术中,并培养自身能力。未来的技术发展很大程度上将取决于新型互动方式的发掘。

另一方面,前所未有的互动,也意味着前所未有的追踪。当前,我们已经进入了一个可以随时被追踪的时代。我们储存的一连串电子邮件和信息构成了记录自身想法的日志。我们还可以记录听过的音乐、读过的书和文章以及去过的地方。我们日常的走动和会面,以及非常规的事件和经验中的重要细节,也能被数据化,并汇集成基于时间顺序的流动信息。

计算机科学家大卫·格勒恩特将这种流动信息称作“生活流”(lifestream)。简单来说,“生活流”就是按时间顺序排列的文档“流“,相当于电子化生活日记。人们所建立和收到的所有文档都会被储存在“生活流”中。“流”的底端是过去的信息,从底端向现在的方向移动,“流”更多地包含最近的文档,比如图片、通信、账单、电影、语音信息、软件等。从现在向未来的方向移动,“流”包含着将来需要的文档:提醒、日历项目、待办事项。

更加深入的互动也将给我们带来更加完整的“生活流”,而其意义是巨大的。比如,当智能织物能够365天、一周7天、每天24小时地全时段监控身体测量数据,如果我们持续地对血糖水平进行实时监控,将会极大程度地解放公共医疗,如果我们能实时监控是否有生化物质或毒素从周围环境进入血液中,我们的行为也将发生可视的变化,因为这些数据既可以作为预警系统,也可以作为诊断疾病或用药的依据。

当然,需要警惕的是,能够整合所有这些“流”的机构将拥有的巨大权力。因为聚集这些内容在技术上十分便利,这意味着可能会出现一个中心化的机构,来操纵人们的生活。毕竟,企业整合数据的行为几乎不受法律制约,因此许多公司成了政府的数据收集代理方,事实上,当前人们的数据已经被这些中心化机构操纵,我们80%的手机软件都由阿里和腾讯开发或者投资,用户的数据已经成为商场中的新财富。

如今,地球上增长最快的就是我们生产的信息量,而这些信息量还将随着智能衣物的加入进一步增长,如何规制这些信息和用什么样的方式进入即将到来的全面互动的时代将成为新的挑战。

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