Neuer geräuschempfindlicher Stoff – dieser „Pullover“ kann Ihren Herzschlag hören

Kürzlich haben Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Rhode Island School of Design zusammengearbeitet, um ein neues „akustisches Gewebe“ zu entwickeln, das nicht nur Geräusche wie ein Mikrofon „hören“, sondern auch Geräusche wie ein Lautsprecher „erzeugen“ kann.

Von einer ruhigen Bibliothek bis zum Lärm des geschäftigen Verkehrs kann das Akustikgewebe Geräusche in diesen Dezibelbereichen erfassen und die genaue Richtung von Geräuschen wie beispielsweise Klatschen bestimmen. Wenn das Material in das Futter eines Hemdes eingewebt ist, kann es auch die subtile Herzschlagsignatur des Trägers erkennen.

Eine ausführliche Einführung zu dieser Errungenschaft wurde in der neuesten Ausgabe des Magazins Nature veröffentlicht.

Der Erstautor des Artikels, Wei Yan, ein Postdoktorand am MIT (jetzt Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur), sagte, dass die Ergebnisse dieser Forschung eine neue Möglichkeit bieten, auf unseren Körper und unsere Umgebung zu hören, was zu vielen unvorstellbaren Anwendungsmöglichkeiten führen wird.

„Mit sprachempfindlicher Kleidung können Sie Anrufe entgegennehmen und mit anderen kommunizieren. Darüber hinaus kann dieser Stoff auch mit der menschlichen Haut in Kontakt kommen, sodass der Träger seinen Herz- und Atemzustand bequem, kontinuierlich, in Echtzeit und langfristig überwachen kann“, sagte Fink.

Akustische Materialien, inspiriert vom menschlichen Ohr

Herkömmliche Stoffe werden häufig verwendet, um Schall zu dämpfen oder zu blockieren. Beispielsweise die Schalldämmschicht in einem Konzertsaal und die Teppiche in unserem täglichen Leben. Doch ein Forscherteam am MIT arbeitet seit Jahren daran, die traditionelle Rolle von Stoffen neu zu erfinden. Ihr Schwerpunkt liegt auf der Erweiterung der Materialeigenschaften, beispielsweise der Funktionserweiterung von Stoffen.

Bei der Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung von geräuschempfindlichen Stoffen ließen sich die Forscher diesmal stark vom „Hörprinzip“ des menschlichen Ohrs inspirieren.

Schall ist eigentlich eine Druckwelle, die sich durch die Luft bewegt. Wenn diese Schallwellen unsere Ohren erreichen, wandelt das Trommelfell, ein äußerst empfindliches und komplexes dreidimensionales Organ, die Druckwellen in mechanische Schwingungen um. Diese Vibrationen gelangen dann über die Gehörknöchelchen ins Innenohr, wo die Cochlea diese Vibrationswellen in elektrische Signale umwandelt, die vom Gehirn wahrgenommen und verarbeitet werden können.

Obwohl einige Geräusche sehr leise sind und wir sie normalerweise nicht wahrnehmen können, verursachen sie entsprechende Vibrationen, manchmal jedoch liegen diese Vibrationen im Nanometerbereich. Um diese nicht wahrnehmbaren Vibrationssignale zu erfassen, versuchte das Team, ein vom menschlichen Gehör inspiriertes „Ohr“ aus Stoff zu entwickeln, das weich, haltbar und bequem ist und Geräusche wahrnehmen kann.

(Quelle: Nature)

Um dies zu erreichen, stellten sie fest, dass: der Stoff steife oder hochmodulige Fasern enthalten musste, um Schallwellen effektiv in Vibrationen umzuwandeln; und zweitens mussten sie eine spezielle Faser entwickeln, die sich mit dem Stoff biegen und dabei elektrische Leistung erzeugen konnte.

Unter Berücksichtigung dieser Voraussetzungen entwickelte das Team einen geschichteten Materialblock, eine sogenannte Vorform, die aus einer piezoelektrischen Schicht und einer Verstärkungsmaterialkomponente besteht, die als Reaktion auf Schallwellen vibriert. Die daraus entstehenden Blöcke aus vorgefertigtem Material, etwa so groß wie ein Markierstift, werden dann erhitzt und wie Fudge zu 40 Meter langen Fasern gezogen.

Tatsächlich bestehen die Fasern aus einem „piezoelektrischen“ Material, das beim Biegen oder mechanischen Verformen elektrische Signale erzeugt und dem Gewebe so die Möglichkeit gibt, Schallschwingungen in elektrische Signale umzuwandeln. Wenn diese flexible Faser in Stoff eingewebt wird, kann sie sich mit dem Stoff beliebig biegen, genau wie Seetang im Meer.

Sie können nicht nur hören, sondern auch Geräusche machen

Um die Empfindlichkeit der schallempfindlichen Fasern zu testen, befestigten die Forscher sie an einem aufgehängten Stück Polyesterfolie und maßen dann mit Lasern die Vibrationen der Folie – und damit auch der Faser – als Reaktion auf Geräusche, die über einen nahegelegenen Lautsprecher abgespielt wurden.

Obwohl der Dezibelpegel des Schalls zwischen einer ruhigen Bibliothek und starkem Straßenverkehr variiert, können die Akustikfasern entsprechend vibrieren und einen elektrischen Strom erzeugen, der proportional zum abgespielten Ton ist.

„Dies zeigt, dass die Leistung von akustischen Sensorfasern auf Membranen mit der von Handmikrofonen vergleichbar ist“, sagt Grace Noel von der Fakultät für Chemieingenieurwesen des MIT, eine der Autorinnen der Studie.

Anschließend verwebte das Forschungsteam die speziell entwickelten Akustikfasern mit herkömmlichen Garnen, um einen griffigen, maschinenwaschbaren Stoff herzustellen. Die Forscher sagten, der synthetische Stoff fühle sich wie eine leichte Jacke an, leichter als Jeans, aber schwerer als ein Oberhemd.

Anschließend nähten die Forscher ein Stück Stoff auf die Innenseite eines Hemdes und testeten die Empfindlichkeit des Stoffes gegenüber der Richtungswahrnehmung von Geräuschen, indem sie in die Hände klatschten, während sie in verschiedenen Winkeln zum Hemd standen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Stoff in der Lage war, Schallwinkel in einer Entfernung von 3 Metern innerhalb von 1 Grad zu erkennen.

Die Forscher glauben, dass diese Art von Sensorgewebe, das Geräusche in eine Richtung wahrnehmen kann, Menschen mit Hörverlust helfen könnte, Außengeräusche in lauten Umgebungen wahrzunehmen.

(Quelle: MIT)

Darüber hinaus nähte das Forschungsteam eine Faser auf das Futter des Hemdes, etwa über der Brust, und stellte fest, dass das schallempfindliche Material den Herzschlag gesunder Freiwilliger sowie subtile Veränderungen der Herzschlageigenschaften genau erkennen konnte.

Forscher glauben, dass die Integration von geräuschempfindlichen Stoffen in Umstandsmode nicht nur zur Überwachung des Herzschlags beitragen könnte, sondern auch zur Überwachung des Herzschlags des Fötus.

Noch interessanter ist, dass die Forscher eine neue Idee haben: Was würde passieren, wenn die Funktion der akustischen Fasern umgedreht würde und sie nicht mehr als Schalldetektoren, sondern als Lautsprecher verwendet würden?

Zu diesem Zweck zeichneten die Forscher zunächst eine Reihe gesprochener Wörter auf und gaben die Aufzeichnung in Form einer angelegten Spannung an die akustischen Fasern weiter. Sie fanden heraus, dass die akustischen Fasern in der Lage waren, elektrische Signale in hörbare Schwingungen umzuwandeln, und nutzten dann eine andere akustische Faser als „Ohr“, um die von den akustischen Fasern ausgesendeten Schallschwingungen erfolgreich zu erfassen.

Neben tragbaren Hörgeräten, Kleidung, die per Sprache kommunizieren kann, und Kleidung, die Vitalfunktionen überwachen kann, sieht das Team noch viele weitere mögliche Anwendungen.

„Es könnte in die Kleidung von Raumfahrzeugen integriert werden, um Weltraumstaub zu überwachen, oder in Gebäude eingebettet werden, um Risse oder Spannungen zu erkennen“, schlug Yan vor. „Es könnte sogar in ein intelligentes Netz eingewoben werden, um Fische im Meer zu überwachen. Das zeigt, dass akustische Sensorfasern enorme Möglichkeiten eröffnen.“

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9

https://news.mit.edu/2022/fabric-acoustic-microphone-0316

Quelle: Academic Headlines