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Haben Sie Hörprobleme? Drehen Sie einfach Ihr Hemd hoch. Das ist die Idee hinter einem neuen "akustischen Stoff", der von Ingenieuren des MIT und Mitarbeitern der Rhode Island School of Design entwickelt wurde.
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Das Team hat ein Gewebe entwickelt, das wie ein Mikrofon funktioniert und Schall zunächst in mechanische Schwingungen und dann in elektrische Signale umwandelt, ähnlich wie unsere Ohren hören.
Alle Textilien vibrieren als Reaktion auf hörbare Töne, obwohl diese Vibrationen im Nanometerbereich liegen - viel zu klein, um normalerweise wahrgenommen zu werden. Um diese nicht wahrnehmbaren Signale zu erfassen, haben die Forscher eine flexible Faser entwickelt, die sich, wenn sie in ein Gewebe eingewebt wird, mit dem Gewebe biegt wie Seegras auf der Meeresoberfläche.
Die Faser besteht aus einem "piezoelektrischen" Material, das ein elektrisches Signal erzeugt, wenn es gebogen oder mechanisch verformt wird, so dass das Gewebe in der Lage ist, Schallschwingungen in elektrische Signale umzuwandeln.
Der Stoff kann Geräusche in verschiedenen Dezibelbereichen erfassen, von einer ruhigen Bibliothek bis hin zu starkem Straßenverkehr, und die genaue Richtung plötzlicher Geräusche wie Händeklatschen bestimmen. Wenn der Stoff in das Futter eines Hemdes eingewebt wird, kann er die subtilen Herzschlagmerkmale des Trägers erkennen. Die Fasern können auch Geräusche erzeugen, z. B. eine Aufnahme von gesprochenen Worten, die ein anderer Stoff erkennen kann.
Eine Studie, die das Design des Teams detailliert beschreibt, erscheint in Nature. Der Hauptautor Wei Yan, der als Postdoc am MIT an der Entwicklung der Faser beteiligt war, sieht viele Einsatzmöglichkeiten für hörende Stoffe.
"Wenn man ein akustisches Kleidungsstück trägt, kann man durch es hindurch sprechen, um Anrufe zu beantworten und mit anderen zu kommunizieren", sagt Yan, der jetzt Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur ist. "Darüber hinaus kann dieser Stoff unmerklich mit der menschlichen Haut in Kontakt treten und es dem Träger ermöglichen, seinen Herz- und Atemzustand auf bequeme, kontinuierliche, Echtzeit- und langfristige Weise zu überwachen
Zu Yans Co-Autoren gehören Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono sowie die Professoren John Joannopoulos und Yoel Fink am MIT, zusammen mit Anais Missakian und Elizabeth Meiklejohn von der Rhode Island School of Design (RISD), Lei Zhu von der Case Western Reserve University, Chu Ma von der University of Wisconsin in Madison und Reed Hoyt vom U.S. Army Research Institute of Environmental Medicine.
Schallschichtung
Stoffe werden traditionell verwendet, um Schall zu dämpfen oder zu reduzieren; Beispiele sind die Schallisolierung in Konzertsälen und Teppichböden in unseren Wohnräumen. Fink und sein Team arbeiten jedoch seit Jahren daran, die herkömmliche Rolle von Stoffen neu zu gestalten. Sie konzentrieren sich auf die Erweiterung von Materialeigenschaften, um Stoffe funktionaler zu machen. Bei der Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung schallsensibler Stoffe ließ sich das Team vom menschlichen Ohr inspirieren.
Hörbarer Schall breitet sich in Form von leichten Druckwellen in der Luft aus. Wenn diese Wellen unser Ohr erreichen, wandelt ein äußerst empfindliches und komplexes dreidimensionales Organ, das Trommelfell, die Druckwellen mit Hilfe einer kreisförmigen Schicht von Fasern in mechanische Schwingungen um. Diese Schwingungen wandern durch kleine Knochen in das Innenohr, wo die Hörschnecke die Wellen in elektrische Signale umwandelt, die vom Gehirn wahrgenommen und verarbeitet werden.
Nach dem Vorbild des menschlichen Gehörs versuchte das Team, ein "Ohr" aus Stoff zu entwickeln, das weich, haltbar und bequem ist und Schall wahrnehmen kann. Ihre Forschung führte zu zwei wichtigen Erkenntnissen: Ein solches Gewebe müsste steife oder "hochmodulige" Fasern enthalten, um Schallwellen effektiv in Schwingungen umzuwandeln. Außerdem musste das Team eine Faser entwerfen, die sich mit dem Gewebe biegen und dabei einen elektrischen Ausgang erzeugen konnte.
Mit diesen Vorgaben im Hinterkopf entwickelte das Team einen geschichteten Materialblock, eine so genannte Vorform, die aus einer piezoelektrischen Schicht sowie aus Bestandteilen besteht, die die Schwingungen des Materials in Reaktion auf Schallwellen verstärken. Die so entstandene Vorform, die etwa die Größe eines dicken Markers hat, wurde dann erhitzt und wie Toffee in dünne, 40 Meter lange Fasern gezogen.
Leichtes Hören
Die Forscher testeten die Schallempfindlichkeit der Fasern, indem sie sie an einer aufgehängten Mylarfolie befestigten. Mit einem Laser maßen sie die Vibration der Folie - und damit auch der Faser - als Reaktion auf einen Ton, der über einen nahe gelegenen Lautsprecher abgespielt wurde. Der Schall variierte in Dezibel zwischen einer ruhigen Bibliothek und starkem Straßenverkehr. Als Reaktion darauf vibrierte die Faser und erzeugte einen elektrischen Strom, der proportional zu dem abgespielten Ton war.
"Dies zeigt, dass die Leistung der Faser auf der Membran mit der eines Handmikrofons vergleichbar ist", sagt Noel.
Als Nächstes verwebte das Team die Faser mit herkömmlichen Garnen, um Bahnen aus drapierbarem, maschinenwaschbarem Stoff herzustellen.
"Es fühlt sich fast wie eine leichte Jacke an - leichter als Denim, aber schwerer als ein Hemd", sagt Meiklejohn, der den Stoff auf einem normalen Webstuhl gewebt hat.
Sie nähte eine Bahn auf die Rückseite eines Hemdes, und das Team testete die Empfindlichkeit des Stoffes gegenüber gerichteten Klängen, indem es in die Hände klatschte, während es in verschiedenen Winkeln zum Hemd stand.
"Der Stoff war in der Lage, den Winkel des Schalls mit einer Genauigkeit von 1 Grad in einer Entfernung von 3 Metern zu erkennen", so Noel.
Die Forscher stellen sich vor, dass ein richtungsempfindlicher Stoff Menschen mit Hörverlust helfen könnte, sich in einer lauten Umgebung auf einen Sprecher einzustellen.
Das Team nähte auch eine einzelne Faser an das Innenfutter eines Hemdes, direkt über dem Brustbereich, und stellte fest, dass sie den Herzschlag eines gesunden Probanden genau erkannte, zusammen mit subtilen Schwankungen der S1- und S2- oder "lub-dub"-Funktionen des Herzens. Neben der Überwachung des eigenen Herzschlags sieht Fink Möglichkeiten, den akustischen Stoff in Umstandskleidung einzubauen, um den Herzschlag des Babys zu überwachen.
Schließlich kehrten die Forscher die Funktion der Faser um, so dass sie nicht als Schalldetektor, sondern als Lautsprecher diente. Sie nahmen eine Reihe gesprochener Worte auf und leiteten die Aufnahme in Form einer angelegten Spannung an die Faser weiter. Die Faser wandelte die elektrischen Signale in hörbare Schwingungen um, die eine zweite Faser erkennen konnte
Neben tragbaren Hörgeräten, kommunizierenden Kleidungsstücken und Kleidungsstücken zur Überwachung von Vitaldaten sieht das Team auch Anwendungen jenseits der Kleidung.
"Sie kann in die Haut von Raumfahrzeugen integriert werden, um den (sich ansammelnden) Weltraumstaub zu hören, oder in Gebäude eingebettet werden, um Risse oder Spannungen zu erkennen", schlägt Yan vor. "Sie kann sogar in ein intelligentes Netz eingewebt werden, um Fische im Meer zu überwachen. Die Faser eröffnet weitreichende Möglichkeiten."
"Die Erkenntnisse aus dieser Forschung bieten buchstäblich einen neuen Weg für Stoffe, auf unseren Körper und die Umgebung zu hören", sagt Fink. "Das Engagement unserer Studenten, Postdocs und Mitarbeiter, die Forschung voranzutreiben, hat mich schon immer erstaunt und ist bei dieser Arbeit, die während der Pandemie durchgeführt wurde, besonders relevant."
