پارچه آکوستیک جدید صداهای قابل شنیدن را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند –

این تیم پارچه‌ای طراحی کرده‌اند که مانند یک میکروفون عمل می‌کند و صدا را ابتدا به ارتعاشات مکانیکی و سپس به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، مشابه آنچه گوش‌های ما می‌شنوند.

همه پارچه‌ها در پاسخ به صداهای قابل شنیدن ارتعاش می‌کنند، اگرچه این ارتعاش‌ها در مقیاس نانومتر هستند – بسیار کوچک‌تر از آن‌که معمولاً قابل درک باشند. برای گرفتن این سیگنال‌های نامحسوس، محققان فیبر انعطاف‌پذیری ایجاد کردند که وقتی در پارچه بافته می‌شود، مانند جلبک دریایی روی سطح اقیانوس با پارچه خم می‌شود.

این فیبر از یک ماده “پیزوالکتریک” طراحی شده است که هنگام خم شدن یا تغییر شکل مکانیکی سیگنال الکتریکی تولید می کند و وسیله ای برای پارچه برای تبدیل ارتعاشات صوتی به سیگنال های الکتریکی فراهم می کند.

این پارچه می‌تواند صداهایی در دسی‌بل از یک کتابخانه آرام گرفته تا ترافیک سنگین جاده را ضبط کند و جهت دقیق صداهای ناگهانی مانند دست زدن را تعیین کند. وقتی پارچه در آستر پیراهن بافته می شود، می تواند ویژگی های ظریف ضربان قلب پوشنده را تشخیص دهد. این الیاف همچنین می تواند برای تولید صدا، مانند ضبط کلمات گفتاری، ساخته شود که پارچه دیگری بتواند آن را تشخیص دهد.

مطالعه ای که جزئیات طراحی تیم را نشان می دهد در طبیعت. وی یان، نویسنده اصلی، که به توسعه فیبر به عنوان پسادکتری MIT کمک کرد، استفاده های زیادی از پارچه هایی که می شنوند می بیند.

یان که اکنون استادیار دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور است، می‌گوید: «با پوشیدن لباس آکوستیک، می‌توانید از طریق آن صحبت کنید تا به تماس‌های تلفنی پاسخ دهید و با دیگران ارتباط برقرار کنید». علاوه بر این، این پارچه می‌تواند به‌طور نامحسوس با پوست انسان ارتباط برقرار کند و به پوشندگان این امکان را می‌دهد تا وضعیت قلب و تنفس خود را به‌طور راحت، مداوم، زمان واقعی و طولانی‌مدت کنترل کنند.

از نویسندگان همکار یان می توان به گریس نوئل، گابریل لوک، تورال خودیف، ژولیت ماریون، جولیانا چرستون، آتاروا ساهاسرابوده، ژائو ویلبرت، ایرماندی ویکاسونو، و استادان جان جوآنوپولوس و یوئل فینک در MIT، همراه با همکارانی از دانشکده طراحی (رود آیلند) اشاره کرد. RISD)، لی زو از دانشگاه کیس وسترن رزرو، چو ما از دانشگاه ویسکانسین در مدیسون، و رید هویت از موسسه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده در پزشکی محیطی.

لایه بندی صدا

پارچه ها به طور سنتی برای کاهش یا کاهش صدا استفاده می شوند. به عنوان مثال می توان به عایق صدا در سالن های کنسرت و فرش در محل زندگی ما اشاره کرد. اما فینک و تیمش سال‌ها برای بازسازی نقش‌های متعارف پارچه کار کرده‌اند. آنها بر گسترش خواص در مواد تمرکز می کنند تا پارچه ها را کاربردی تر کنند. در جستجوی راه‌هایی برای ساخت پارچه‌های حسگر صدا، این تیم از گوش انسان الهام گرفتند.

صدای قابل شنیدن در هوا به صورت امواج فشار خفیف حرکت می کند. هنگامی که این امواج به گوش ما می رسد، یک اندام سه بعدی بسیار حساس و پیچیده، غشای تمپان یا پرده گوش، از یک لایه الیاف دایره ای برای تبدیل امواج فشار به ارتعاشات مکانیکی استفاده می کند. این ارتعاشات از طریق استخوان های کوچک به گوش داخلی منتقل می شود، جایی که حلزون حلزون امواج را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند که توسط مغز حس و پردازش می شود.

این تیم با الهام از سیستم شنوایی انسان، به دنبال ایجاد یک “گوش” پارچه ای بود که نرم، بادوام، راحت و قادر به تشخیص صدا باشد. تحقیقات آنها به دو کشف مهم منتهی شد: چنین پارچه ای باید دارای الیاف سفت یا “مدول بالا” باشد تا به طور موثر امواج صوتی را به ارتعاش تبدیل کند. و تیم باید فیبری را طراحی کند که بتواند با پارچه خم شود و در این فرآیند خروجی الکتریکی تولید کند.

با در نظر گرفتن این دستورالعمل‌ها، تیم یک بلوک لایه‌ای از مواد به نام پریفرم را ایجاد کرد که از یک لایه پیزوالکتریک و همچنین مواد تشکیل‌دهنده برای تقویت ارتعاشات مواد در پاسخ به امواج صوتی ساخته شده است. پیش‌فرم به‌دست‌آمده، به اندازه یک نشانگر ضخیم، سپس حرارت داده شد و مانند تافی به الیاف نازک به طول 40 متر کشیده شد.

گوش دادن سبک

محققان حساسیت فیبر به صدا را با اتصال آن به ورقه معلق مایلار آزمایش کردند. آن‌ها از لیزر برای اندازه‌گیری ارتعاش ورق – و در نتیجه فیبر – در پاسخ به صدای پخش شده از بلندگوی نزدیک استفاده کردند. صدا در دسی بل بین یک کتابخانه آرام و ترافیک سنگین جاده متفاوت بود. در پاسخ، فیبر لرزید و جریان الکتریکی متناسب با صدای پخش شده تولید کرد.

نوئل می گوید: «این نشان می دهد که عملکرد فیبر روی غشاء با یک میکروفون دستی قابل مقایسه است.

سپس، تیم الیاف را با نخ‌های معمولی بافتند تا پانل‌هایی از پارچه‌های قابل پوشیدن و قابل شستشو در ماشین تولید کنند.

الیزابت میکلجون، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی فارغ التحصیل RISD که پارچه را با استفاده از ماشین بافندگی استاندارد می‌بافد، می‌گوید: «تقریباً شبیه یک ژاکت سبک است – سبک‌تر از جین، اما سنگین‌تر از پیراهن لباس».

او یک پانل را به پشت پیراهن دوخت و تیم با کف زدن دستان خود در حالی که در زوایای مختلف نسبت به پیراهن ایستاده بودند، حساسیت پارچه را به صدای جهت آزمایش کردند.

نوئل خاطرنشان می کند: «این پارچه توانست زاویه صدا را تا 1 درجه در فاصله 3 متری تشخیص دهد.

محققان تصور می کنند که یک پارچه حسگر صدا جهت دار می تواند به افرادی که دچار کم شنوایی هستند کمک کند تا در میان محیط پر سر و صدا با بلندگو هماهنگ شوند.

این تیم همچنین یک الیاف را به آستر داخلی پیراهن، درست روی ناحیه قفسه سینه، دوخت و متوجه شد که ضربان قلب یک داوطلب سالم را به‌طور دقیق تشخیص می‌دهد، همراه با تغییرات ظریف در S1 و S2 یا ویژگی‌های “lub-dub” قلب. فینک علاوه بر نظارت بر ضربان قلب خود، امکاناتی را برای ترکیب پارچه آکوستیک در لباس بارداری برای کمک به نظارت بر ضربان قلب جنین کودک می بیند.

در نهایت، محققان عملکرد فیبر را معکوس کردند تا نه به عنوان آشکارساز صدا بلکه به عنوان یک بلندگو عمل کند. آنها یک رشته از کلمات گفتاری را ضبط کردند و ضبط را به شکل یک ولتاژ اعمال شده به فیبر دادند. فیبر سیگنال های الکتریکی را به ارتعاشات شنیداری تبدیل می کرد که فیبر دوم قادر به تشخیص آن بود.

علاوه بر سمعک‌های پوشیدنی، لباس‌هایی که ارتباط برقرار می‌کنند و لباس‌هایی که علائم حیاتی را ردیابی می‌کنند، این تیم برنامه‌هایی فراتر از لباس را می‌بیند.

یان پیشنهاد می‌کند: «می‌توان آن را با پوست فضاپیما ادغام کرد تا به گرد و غبار فضایی (انباشته شده) گوش دهد، یا در ساختمان‌ها برای تشخیص ترک‌ها یا کرنش‌ها جاسازی شود. حتی می‌توان آن را در یک شبکه هوشمند برای نظارت بر ماهی‌ها در اقیانوس بافته کرد.

فینک می‌گوید: «یادگیری‌های این تحقیق به معنای واقعی کلمه روش جدیدی را برای پارچه‌ها ارائه می‌کند تا به بدن ما و محیط اطراف گوش دهند. “تعهد دانشجویان، فوق دکترا و کارکنان ما به پیشرفت تحقیقاتی که همیشه من را شگفت زده کرده است، به ویژه به این کار که در طول همه گیری انجام شد، مربوط می شود.”

این تحقیق تا حدی توسط دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده از طریق مؤسسه نانوتکنولوژی سرباز، بنیاد ملی علوم، Sea Grant NOAA پشتیبانی شد.