Ткань может слышать биение сердца
Сегодня наша одежда сможет подслушивать саундтрек нашей жизни, улавливая звуки вокруг и внутри нас.
Новое волокно действует как микрофон, улавливая речь, шелест листьев и щебетание птиц, и превращает акустические сигналы в электрические. Вплетенный в ткань, материал может даже слышать хлопки рук и слабые звуки, такие как сердцебиение владельца, сообщают исследователи в журнале Nature. Т
акие ткани могут стать удобным, неинтрузивным и даже модным способом контроля функций организма или помощи слуху.
Акустические ткани существуют, возможно, уже сотни лет, но они используются для гашения звука, говорит Вэй Ян, материаловед из Наньянского технологического университета в Сингапуре.
Ткань в качестве микрофона — это «совершенно другая концепция», говорит Ян, который работал над созданием ткани во время учебы в Массачусетском технологическом институте.
Яна и его коллег вдохновила человеческая барабанная перепонка. Звуковые волны вызывают вибрации в барабанной перепонке, которые преобразуются в электрические сигналы в улитке.
«Оказалось, что барабанная перепонка состоит из волокон, — говорит Йоэль Финк, материаловед из Массачусетского технологического института. Во внутренних слоях барабанной перепонки коллагеновые волокна расходятся от центра, а другие образуют концентрические кольца. Пересекающиеся волокна играют определенную роль в развитии слуха и похожи на ткани, которые ткут люди, говорит Финк.
По аналогии с тем, что происходит в барабанной перепонке, звук вибрирует ткань на наноуровне. В новой ткани хлопковые волокна и другие волокна из несколько жесткого материала под названием Twaron эффективно преобразуют входящий звук в вибрации. Вместе с этими нитями в ткань вплетено одно волокно, содержащее смесь пьезоэлектрических материалов, которые создают напряжение при нажатии или изгибе. Сгибание и разгибание пьезоэлектрического волокна создает электрические сигналы, которые могут быть переданы через крошечную печатную плату на устройство, считывающее и регистрирующее напряжение.
Микрофон из ткани чувствителен к различным уровням шума, от тихой библиотеки до интенсивного движения, сообщает команда, хотя она продолжает изучать, какая обработка сигнала необходима для отделения целевых звуков от окружающего шума. Интегрированная в одежду, эта звукочувствительная ткань ощущается как обычная ткань, говорит Ян. И она продолжает работать как микрофон после того, как ее постирали 10 раз.
Пьезоэлектрические материалы обладают «огромным потенциалом» для применения в различных областях — от наблюдения за работой организма до контроля целостности материалов самолетов, говорит Виджай Тхакур, материаловед из Шотландского сельского колледжа в Эдинбурге, который не принимал участия в данной работе. Их даже предлагали использовать для получения энергии, но, по его словам, многие способы их применения были ограничены крошечным напряжением, которое они создают.
Способ изготовления волокон в этой ткани — сэндвич из смеси пьезоэлектрических материалов между другими компонентами, включая гибкий, растягивающийся внешний материал — концентрирует энергию колебаний в пьезоэлектрическом слое, усиливая генерируемый им сигнал.
В качестве доказательства концепции команда включила ткань в рубашку, которая могла слышать сердце своего владельца, как это делает стетоскоп. По словам Тхакура, при таком использовании тканевый микрофон может прослушивать шумы и, возможно, когда-нибудь сможет предоставлять информацию, подобную эхокардиограмме — ультразвуковому исследованию сердца. Если ткань докажет свою эффективность в качестве инструмента мониторинга и диагностики, то размещение таких микрофонов в одежде может в будущем облегчить врачам отслеживание состояния сердца у маленьких детей, которым трудно сохранять неподвижность, говорит он.
Команда также ожидает, что тканевые микрофоны могут способствовать улучшению слуха и коммуникации. Еще одна футболка, созданная командой, имела два пьезоэлектрических волокна, расположенных на расстоянии друг от друга на спине футболки. По тому, когда каждое волокно улавливает звук, эта рубашка может быть использована для определения направления хлопка. А при подключении к источнику питания тканевые микрофоны могут проецировать звук как динамик.