Μηχανικοί του ΜΙΤ συνεργάστηκαν με το Rhode Island School of Design στο σχεδιασμό ενός υφάσματος που λειτουργεί σαν μικρόφωνο, μετατρέποντας τον ήχο πρώτα σε μηχανικές δονήσεις και στη συνέχεια σε ηλεκτρικά σήματα, παρόμοια με τον τρόπο που ακούνε τα αυτιά μας.
Όλα τα υφάσματα δονούνται σε απόκριση σε διάφορους ήχους, αν και οι δονήσεις αυτές είναι στην κλίμακα των νανομέτρων – πολύ μικρές για να γίνουν συνήθως αντιληπτές. Για να συλλάβουν αυτά τα ανεπαίσθητα σήματα, οι ερευνητές δημιούργησαν μια εύκαμπτη ίνα η οποία όταν υφαίνεται σε ένα ύφασμα, λυγίζει μαζί με το ύφασμα όπως τα φύκια στην επιφάνεια του ωκεανού.
Η ίνα είναι σχεδιασμένη από ένα «πιεζοηλεκτρικό» υλικό που παράγει ηλεκτρικό σήμα όταν κάμπτεται ή παραμορφώνεται μηχανικά, παρέχοντας στο ύφασμα ένα μέσο για τη μετατροπή των ηχητικών δονήσεων σε ηλεκτρικά σήματα.
Όταν υφαίνεται στην επένδυση ενός πουκαμίσου, το ύφασμα μπορεί να ανιχνεύσει τα διακριτικά χαρακτηριστικά του καρδιακού παλμού του χρήστη. Οι ίνες μπορούν επίσης να κατασκευαστούν για να παράγουν ήχο, όπως μια ηχογράφηση προφορικού λόγου, τον οποίο μπορεί να ανιχνεύσει ένα άλλο ύφασμα.
Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό «Nature». Ο επικεφαλής συγγραφέας Γουέι Γιαν, ο οποίος βοήθησε στην ανάπτυξη της ίνας ως μεταδιδακτορικός ερευνητής του ΜΙΤ, βλέπει πολλές χρήσεις για τα ακουστικά υφάσματα.
«Όταν φοράτε ένα ακουστικό ρούχο, μπορείτε να μιλήσετε μέσω αυτού για να απαντήσετε σε τηλεφωνικές κλήσεις και να επικοινωνήσετε με άλλους», εξήγησε ο Γιαν, ο οποίος είναι τώρα επίκουρος καθηγητής στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη.
«Επιπλέον, αυτό το ύφασμα μπορεί να βρίσκεται σε άμεση διεπαφή με το ανθρώπινο δέρμα, επιτρέποντας σε όποιον το φοράει, να παρακολουθεί την κατάσταση της καρδιάς και της αναπνοής του με έναν άνετο και συνεχή τρόπο και σε πραγματικό χρόνο», πρόσθεσε.
Στρώματα ήχου
Τα υφάσματα χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την απόσβεση ή τη μείωση του ήχου- παραδείγματα είναι η ηχομόνωση σε αίθουσες συναυλιών και οι μοκέτες στα σπίτια. Όμως η επιστημονική ομάδα του ΜΙΤ εργάζεται εδώ και χρόνια για να αναδιαμορφώσει τους συμβατικούς ρόλους των υφασμάτων. Επικεντρώνεται στην επέκταση των ιδιοτήτων των υλικών για να κάνουν τα υφάσματα πιο λειτουργικά. Αναζητώντας τρόπους για την κατασκευή υφασμάτων που ανιχνεύουν τον ήχο, η ομάδα εμπνεύστηκε από το ανθρώπινο αυτί.
Ο ακουστικός ήχος ταξιδεύει μέσα στον αέρα ως ελαφρά κύματα πίεσης. Όταν αυτά τα κύματα φτάνουν στο αυτί μας, ένα εξαιρετικά ευαίσθητο και πολύπλοκο τρισδιάστατο όργανο, η τυμπανική μεμβράνη ή τύμπανο, χρησιμοποιεί ένα κυκλικό στρώμα ινών για να μεταφράσει τα κύματα πίεσης σε μηχανικές δονήσεις. Αυτές οι δονήσεις ταξιδεύουν μέσω μικρών οστών στο εσωτερικό αυτί, όπου ο κοχλίας μετατρέπει τα κύματα σε ηλεκτρικά σήματα τα οποία ανιχνεύει και επεξεργάζεται ο εγκέφαλος.
Εμπνευσμένη από το ανθρώπινο ακουστικό σύστημα, η ομάδα προσπάθησε να δημιουργήσει ένα υφασμάτινο «αυτί» που θα είναι μαλακό, ανθεκτικό, άνετο και ικανό να ανιχνεύει τον ήχο. Η έρευνα οδήγησε σε δύο σημαντικές ανακαλύψεις. Πρώτον, ένα τέτοιο ύφασμα θα έπρεπε να ενσωματώνει άκαμπτες ή ελαστικές ίνες για να μετατρέπει αποτελεσματικά τα ηχητικά κύματα σε δονήσεις. Και δεύτερον, η ομάδα θα έπρεπε να σχεδιάσει μια ίνα που θα μπορούσε να λυγίσει μαζί με το ύφασμα και να παράγει ηλεκτρικά σήματα κατά τη διαδικασία.
Έχοντας αυτές τις κατευθυντήριες γραμμές κατά νου, η ομάδα ανέπτυξε ένα πολυστρωματικό μπλοκ υλικών, το οποίο αποτελείται από ένα πιεζοηλεκτρικό στρώμα καθώς και συστατικά για την ενίσχυση των δονήσεων του υλικού σε απόκριση στα ηχητικά κύματα. Το μπλοκ περίπου στο μέγεθος ενός χοντρού μαρκαδόρου, στη συνέχεια θερμάνθηκε και τραβήχτηκε σαν καραμέλα σε λεπτές ίνες μήκους 40 μέτρων.
Ελαφριά ακρόαση
Οι ερευνητές δοκίμασαν την ευαισθησία της ίνας στον ήχο, συνδέοντάς την σε ένα αναρτημένο φύλλο Μίλαρ. Χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ για να μετρήσουν τη δόνηση του φύλλου – και κατ’ επέκταση της ίνας – σε απόκριση του ήχου που ακουγόταν από ένα κοντινό ηχείο. Η ίνα μπόρεσε να ανιχνεύσει αποτελεσματικά τους ήχους του περιβάλλοντος, από τους δυνατούς σε ένα δρόμο με πολλή κίνηση μέχρι τους σιγανούς μέσα σε μια ήσυχη βιβλιοθήκη. Στη συνέχεια, η ίνα δονήθηκε και παρήγαγε ηλεκτρικό ρεύμα ανάλογο με τον ήχο που ακουγόταν.
«Αυτό δείχνει ότι η απόδοση της ίνας στη μεμβράνη είναι συγκρίσιμη με ένα μικρόφωνο χειρός», είπαν οι επιστήμονες.
Στη συνέχεια, η ομάδα έπλεξε την ίνα με συμβατικά νήματα για να δημιουργήσει ένα ύφασμα που θα μπορούσε να πλυθεί στο πλυντήριο.
«Είναι σχεδόν σαν ένα ελαφρύ σακάκι – ελαφρύτερο από τζιν, αλλά βαρύτερο από ένα πουκάμισο», εξήγησε η Elizabeth Meiklejohn από το Rhode Island School of Design.
Η ομάδα δοκίμασε την ευαισθησία του υφάσματος στον κατευθυνόμενο ήχο χτυπώντας παλαμάκια ενώ στέκονταν σε διάφορες γωνίες μέσα στο χώρο. Το ύφασμα ήταν σε θέση να ανιχνεύσει τη γωνία του ήχου με ακρίβεια 1 μοίρας σε απόσταση 3 μέτρων.
Οι ερευνητές οραματίζονται ότι ένα ύφασμα που ανιχνεύει τον κατευθυνόμενο ήχο θα μπορούσε να βοηθήσει τα άτομα με απώλεια ακοής να συνομιλήσουν με κάποιον σε ένα θορυβώδες περιβάλλον.
Η ομάδα έραψε επίσης μία μόνο ίνα στην εσωτερική επένδυση ενός πουκαμίσου, ακριβώς πάνω από την περιοχή του στήθους, και διαπίστωσε ότι ανίχνευσε με ακρίβεια τον καρδιακό παλμό ενός υγιούς εθελοντή, μαζί με λεπτές διακυμάνσεις στον καρδιακό τόνο (S1) και τον δεύτερο καρδιακό τόνο (S2).
Τέλος, οι ερευνητές αντέστρεψαν τη λειτουργία της ίνας ώστε να μην χρησιμεύει ως ανιχνευτής ήχου αλλά ως ηχείο. Ηχογράφησαν μια σειρά λέξεων και τροφοδότησαν την ηχογράφηση στην ίνα με τη μορφή εφαρμοζόμενης τάσης. Η ίνα μετέτρεψε τα ηλεκτρικά σήματα σε ακουστικές δονήσεις, τις οποίες μπόρεσε να ανιχνεύσει μια δεύτερη ίνα.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το ακουστικό ύφασμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ρούχα μητρότητας για την παρακολούθηση του καρδιακού παλμού του εμβρύου. Θα μπορούσε επίσης να ενσωματωθεί στην εξωτερική επιφάνεια διαστημοπλοίων για να ανιχνεύει τη συσσωρευμένη διαστημική σκόνη, ή σε κτίρια για να ανιχνεύει ρωγμές ή τάσεις. Μπορεί ακόμη και να υφανθεί σε ένα ‘έξυπνο’ δίχτυ για την παρακολούθηση των ψαριών στον ωκεανό.
Στην ερευνητική ομάδα συμμετείχε και ο Ελληνοαμερικανός καθηγητής φυσικής Τζον Ιωαννόπουλος, διευθυντής του Ινστιτούτου Στρατιωτικών Νανοτεχνολογιών του ΜΙΤ.
Πηγή: ertnews.gr
