Ученые создали ткань, способную слышать сердцебиение

Идея новой «акустической ткани» разрабатывается инженерами Массачусетского технологического института и сотрудниками Школы дизайна Род-Айленда. Команда разработала ткань, которая работает как микрофон, преобразуя звук сначала в механические вибрации, а затем в электрические сигналы, подобно тому, как слышат уши.


Все ткани вибрируют в ответ на слышимые звуки, хотя эти вибрации измеряются нанометрами они слишком малы, чтобы их можно было ощутить. Чтобы уловить эти незаметные сигналы, исследователи создали гибкое волокно, которое при вплетении в ткань изгибается вместе с тканью, как морские водоросли на поверхности океана.

Волокно изготовлено из «пьезоэлектрического» материала, который генерирует электрический сигнал при изгибе или механической деформации, что позволяет ткани преобразовывать звуковые колебания в электрические сигналы.

Ткань может улавливать звуки в децибелах от тихой библиотеки до интенсивного дорожного движения и определять точное направление внезапных звуков, таких как хлопки в ладоши. Ткань, вплетенная в подкладку рубашки, способна улавливать едва уловимые черты сердцебиения владельца. Волокна также могут генерировать звук, например запись произносимых слов, который может обнаружить другая ткань. Исследование, подробно описывающее дизайн команды, опубликовано в журнале Nature.

Наслоение звука

Ткани традиционно используются для гашения или уменьшения звука; примеры включают звукоизоляцию в концертных залах и ковровое покрытие в наших жилых помещениях. Но сейчас ученые сосредоточены на расширении свойств материалов, чтобы сделать ткани более функциональными. В поисках способов изготовления звукопоглощающих тканей команда черпала вдохновение в человеческом ухе.

Вдохновленная слуховой системой человека, команда стремилась создать тканевое «ухо», которое было бы мягким, прочным, удобным и способным обнаруживать звук. Их исследования привели к двум важным открытиям: такая ткань должна включать жесткие или «высокомодульные» волокна, чтобы эффективно преобразовывать звуковые волны в вибрации. Кроме того, команде нужно было разработать волокно, которое могло бы изгибаться вместе с тканью и при этом генерировать электрический ток.

Помня об этих рекомендациях, команда разработала многослойный блок материалов, называемый заготовкой, состоящий из пьезоэлектрического слоя, а также ингредиентов для усиления вибрации материала в ответ на звуковые волны. Полученную заготовку размером с толстый маркер затем нагревали и вытягивали, как ириску, в тонкие волокна длиной 40 метров.

Легкое прослушивание

Исследователи проверили чувствительность волокна к звуку, прикрепив его к подвешенному листу майлара. Они использовали лазер для измерения вибрации листа и, соответственно, волокна в ответ на звук, воспроизводимый через ближайший динамик. Звук варьировался в децибелах от тихой библиотеки до интенсивного дорожного движения. В ответ волокно вибрировало и генерировало электрический ток, пропорциональный воспроизводимому звуку.

Затем команда сплела волокно из обычной пряжи, чтобы получить панели из драпируемой ткани, которую можно стирать в машине.

Исследователи предполагают, что направленная звукопоглощающая ткань может помочь людям с потерей слуха настроиться на динамик в шумной обстановке.

Команда также пришила одно волокно к внутренней подкладке рубашки, прямо над областью груди, и обнаружила, что оно точно определяет сердцебиение здорового добровольца, а также тонкие вариации в S1 и S2 сердца, или особенности «лаб-даб». В дополнение к мониторингу собственного сердцебиения Финк видит возможности для включения акустической ткани в одежду для беременных, чтобы помочь контролировать сердцебиение плода ребенка.

Наконец, исследователи изменили функцию волокна, чтобы оно служило не детектором звука, а динамиком. Они записали последовательность произнесенных слов и передали запись в волокно в виде приложенного напряжения. Волокно преобразовывало электрические сигналы в слышимые вибрации, которые могло обнаружить второе волокно. В дополнение к носимым слуховым аппаратам, одежде, которая общается, и одежде, которая отслеживает жизненные показатели, команда видит приложения, выходящие за рамки одежды.

«Результаты этого исследования предлагают совершенно новый способ для тканей слушать наше тело и окружающую среду», говорит Финк. «Преданность наших студентов, постдоков и сотрудников продвижению исследований, которая всегда меня восхищала, особенно актуальна для этой работы, которая проводилась во время пандемии».