[ad_1]
Проблемы со слухом? Просто подверните рубашку. Это идея новой «акустической ткани», разработанной 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 наши уши.
Все ткани вибрируют в ответ на слышимые звуки, хотя эти вибрации измеряются нанометрами — они слишком малы, чтобы их можно было ощутить. Чтобы улавливать 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, может 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, появилось сегодня в Природа. Ведущий автор Вэй Ян, который участвовал в разработке волокна в качестве постдока Массачусетского технологического института, видит множество применений для тканей, которые слышат.
«Надев акустическую одежду, вы можете разговаривать через нее, отвечать на телефонные звонки и общаться с другими людьми», — говорит Ян, который сейчас работает доцентом в Технологическом университете Наньян в Сингапуре. «Кроме того, эта ткань может незаметно соприкасаться с кожей человека, позволяя пользователям контролировать состояние своего сердца и дыхания удобным, непрерывным, в режиме реального времени и в долгосрочной перспективе».
В число соавторов Яна входят Грейс Ноэль, Габриэль Локе, Турал Худиев, Джульетта Марион, Джулиана Черстон, Атхарва Сахасрабуде, Жоао Уилберт, Ирманди Викаксоно, а также профессора Джон Джоаннопулос и Йоэль Финк из Массачусетского технологического института, а также Анаис Миссакян и Элизабет Мейкледжон из школы Род-Айленда. дизайна (RISD), Лей Чжу из Университета Кейс Вестерн Резерв, Чу Ма из Висконсинского университета в Мэдисоне и Рид Хойт из Исследовательского института экологической медицины Армии США.
Звуковое наслоение
Ткани традиционно используются для гашения или уменьшения звука; примеры включают звукоизоляцию в концертных залах и ковровое покрытие в наших жилых помещениях. Но Финк и его команда годами работали над переделкой традиционных ролей ткани. Они сосредоточены на расширении свойств материалов, чтобы сделать ткани более функциональными. В поисках способов изготовления звуковых тканей команда черпала вдохновение в человеческом ухе.
Слышимый звук распространяется по воздуху в виде слабых волн давления. Когда эти волны достигают нашего уха, чрезвычайно чувствительный и сложный трехмерный орган, барабанная перепонка или барабанная перепонка, использует круговой слой волокон для преобразования волн давления в механические вибрации. Эти вибрации проходят через мелкие кости во внутреннее ухо, где улитка преобразует волны в электрические сигналы, которые воспринимаются и обрабатываются мозгом.
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. И команде нужно было разработать волокно, которое могло бы изгибаться вместе с тканью и в процессе производить электрический выход.
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.
«Это показывает, что производительность волокна на мембране сравнима с ручным микрофоном», — говорит Ноэль.
Затем команда сплела волокно из обычной пряжи, чтобы получить панели из драпируемой ткани, которую можно стирать в машине.
«Это похоже на легкую куртку — легче джинсовой ткани, но тяжелее классической рубашки», — говорит Мейкледжон, который ткал ткань на стандартном ткацком станке.
Она пришила одну панель к задней части рубашки, и команда проверила чувствительность ткани к направленному звуку, хлопая в ладоши, стоя под разными углами к рубашке.
«Ткань могла определять угол звука с точностью до 1 градуса на расстоянии 3 метров», — отмечает Ноэль.
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 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.
«Он может быть интегрирован с обшивкой космического корабля для прослушивания (накопления) космической пыли или встроен в здания для обнаружения трещин или деформаций», — предлагает Ян. «Его можно даже вплести в умную сеть для наблюдения за рыбой в океане. Волокно открывает широкие возможности».
«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».
Это исследование было частично поддержано Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий, Национальный научный фонд, Морской грант NOAA.
[ad_2]
Source