Nature Electronics | 用于健康监测的智能声学纺织品

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医工学人评论

Sono Textiles 凭借其独特的声学传感原理、高效的信号处理方法以及出色的材料特性，为智能纺织品的发展开辟了新的道路，在健康监测和人机交互领域展现出令人兴奋的应用前景。

智能纺织品作为可穿戴电子设备的重要组成部分，在健康监测、人机交互和环境分析等领域展现出巨大的潜力。然而，现有技术面临材料快速降解、潜在毒性、高生产成本和沉重计算负荷等挑战，限制了其可扩展性和可靠性。19日,发表在《自然·电子》杂志上的最新研究[1]展示了苏黎世联邦理工学院的研究者们提出了一项名为 Sono Textiles 的声学智能纺织品，该技术有望克服原有瓶颈，为可穿戴技术带来新突破。

图1使用玻璃纤维声波导的智能纺织品

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技术核心：声波传感的创新应用

这项创新技术的核心在于利用嵌入纺织品基底中的柔性玻璃微纤维作为声波波导。微纤维两端连接着压电换能器 (PZT)，分别充当声波的发射器和接收器。这种设计允许研究人员通过测量声波沿纤维传播过程中的衰减和能量损失来精确感知外部刺激，例如触摸和弯曲。

Sono Textiles 的一大亮点在于其巧妙的传感机制。当外部施加压力或发生弯曲时，玻璃微纤维与纱线或皮肤之间的接触会增加，从而导致声波能量显著损耗。接收器 PZT 能够检测到这些能量变化，并将其转化为可分析的电信号。通过监测这些信号，可以实时感知和量化各种外部刺激。如图 2e-j 所示，文章详细展示了不同压力和弯曲角度下声波信号的变化。

图2智能声学纺织品的特性

为了提高计算效率和降低系统复杂度，研究人员在 Sono Textiles 中引入了声学频率选择性以及频域信号处理算法。特别是，频分多址 (FDMA) 技术的应用，允许多个通道在不同频率下同时传输信号而互不干扰。这显著减少了分布式传感应用所需的传感器、电连接和布线数量，提升了系统的可扩展性。通过基于 FFT 的频域计算，可以有效解决多通道信号叠加引起的干扰问题。

Sono Textiles 不仅在技术原理上有所突破，在材料特性上也表现出色。它透气、耐用，并在温度波动下保持稳定。该技术基于市售的玻璃微纤维和压电换能器，成本效益较高。将多根玻璃纤维整合到纺织品基底中并不会影响其原有的透气性、稳定性和柔韧性。图 2a 和 2b 展示了玻璃微纤维及其与纺织品基底结合后的柔韧性。

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多领域应用潜力

图3作为可穿戴触觉传感接口的仿真声纤维阵列

分布式触觉传感：通过将玻璃纤维沿经纱和纬纱方向集成到纺织品基底中，可以构建一个二维触觉传感界面，其中每个交叉点都作为一个可寻址的触点 。图 1c 和 3a 所示，这种阵列设计可以实现对多点触控的精确感知。通过 FDMA 技术，系统能够区分来自不同触点的信号，并准确定位受力点 。与传统的点阵阵列相比，Sono Textiles 所需的传感器数量更少，如图 3e 所示，进一步简化了系统复杂性 。图 3f 展示了不同触控场景下的传感结果及其对应的频域分析。

图4 用于手势识别的智能手套

手势识别：研究人员开发了名为 SonoGloves 的智能手套，将声学智能纺织品集成到手套中，用于检测手指弯曲和实现手势识别 。图 4a、4d 和 4e 所示，通过在每个手指上嵌入玻璃微纤维并连接 PZT，手套可以感知手指弯曲的角度（图 4c） 。结合 FDMA 技术，SonoGloves 可以识别不同的手势，例如图 4f 所示的数字手势，这为手语翻译和人机交互提供了新的可能性 。

图5 声学织物系统的生理监测应用

实时生理监测：图 5a 所示，将声学纺织品集成到贴身衣物中，可以监测肌肉活动。肌肉收缩和放松引起的皮肤与纺织品之间的接触压力变化会导致声波能量损失的变化，从而反映肌肉状态。图 5b 和 5c 展示了肌肉放松和紧张状态下的信号差异以及周期性运动监测结果。此外，如图 5d 和 5e 所示，将 SISO 系统集成到腹部区域的衬衫中，可以监测呼吸模式。腹部在呼吸过程中的周期性起伏会导致声波信号的周期性变化，从而实现呼吸频率的实时监测（如图 5f、5g 和 5h 所示）。

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未来展望

尽管 Sono Textiles 技术取得了显著进展，但未来的研究仍需解决现有的封装限制，例如集成可穿戴电源、嵌入式数据采集系统和无线数据传输能力。此外，探索可持续、可生物降解的材料以及整合触觉反馈功能也是未来发展的方向。通过调整纤维长度、直径和材料成分等因素，可以根据特定应用需求定制传感性能，进一步提升系统的功能性和灵敏度。

这项智能声学纺织品技术在物理治疗、中风康复、关节炎监测、人机交互、虚拟现实和增强现实、游戏、机器人以及远程操作等众多领域具有广泛的应用前景。在运动领域，分布式触觉传感服装可以为运动员提供实时的生物力学反馈，帮助优化表现和预防损伤。在辅助技术方面，该纺织品可以为视力障碍者提供替代输入方法，或帮助监测和调整姿势。随着人工智能、5G 网络和物联网技术的进一步发展，智能纺织品的潜力将得到更充分的释放。

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相关技术与产品

目前，关于与 Sono Textiles 技术直接相关的已上市的技术公司或产品的公开信息较少，该技术仍处于早期研发或商业化阶段。然而，智能纺织品和可穿戴传感领域正快速发展，众多公司和研究机构致力于开发各种基于不同传感原理（如电学、压电、摩擦电、磁弹性等）的智能纺织品和可穿戴设备。随着声学传感技术的不断成熟及其在纺织品领域的融合，未来有望出现更多基于类似原理的创新产品和公司。

以下是一些在智能纺织品和可穿戴传感领域活跃的公司和相关产品类型，尽管它们可能不直接使用文中的声学传感技术，但代表了该领域的发展方向：

生理参数监测服装：

监测心率、呼吸、体温、活动水平等，例如Hexoskin[2]、Athos[3] 等公司。

触觉反馈服装/设备：

用于虚拟现实、游戏或康复训练，通过振动或其他方式提供触觉感受[4]。

压力传感垫或服装：

用于监测坐姿、步态或身体压力分布，例如一些智能座椅垫或鞋垫。

应变传感纺织品：

用于监测身体运动或姿势变化，例如一些智能运动服。

总的来说，Sono Textiles 技术凭借其独特的声学传感原理、高效的信号处理方法以及出色的材料特性，为智能纺织品的发展开辟了新的道路，在健康监测和人机交互领域展现出令人兴奋的应用前景。虽然商业化之路尚需探索，但这项技术的出现无疑是可穿戴电子领域的一个重要里程碑。

参考资料：

[1] Wang, Y., Sun, C. & Ahmed, D. A smart acoustic textile for health monitoring.Nat Electron(2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01386-2 https://doi.org/10.1038/s41551-025-01393-w

[2] https://hexoskin.com/

[3] https://www.athoshc.com/

[4] Qi, J., Yu, L., Khoo, E.T.et al.Bridging the digital–physical divide using haptic and wearable technologies.Nat Electron7, 1098–1110 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01325-7

编辑 | 罗虎

审核 | 医工学人理事会