Draden met piëzo-elektrische materialen creëren elektrische signalen uit geluiden
Deze experimentele nieuwe stof kan geluiden uit de omgeving opvangen en, wanneer geïntegreerd in kleding, de binnenkant van lichamen. Dergelijke materialen kunnen een comfortabele, niet-opdringerige – zelfs modieuze – manier zijn om lichaamsfuncties te controleren of om te horen.
Op een dag kan onze kleding de soundtrack van ons leven afluisteren en de geluiden om ons heen en in ons vastleggen.
Een nieuwe vezel fungeert als een microfoon – hij pikt spraak, ritselende bladeren en tjilpende vogels op – en zet die akoestische signalen om in elektrische signalen. Geweven in een stof, het materiaal kan zelfs handgeklap en zwakke geluiden horenzoals de hartslag van de drager, rapporteren onderzoekers op 16 maart in Natuur. Dergelijke stoffen kunnen een comfortabele, niet-opdringerige – zelfs modieuze – manier zijn om lichaamsfuncties te controleren of om te horen.
Akoestische stoffen bestaan ​​misschien al honderden jaren, maar ze worden gebruikt om geluid te dempen, zegt Wei Yan, materiaalwetenschapper aan de Nanyang Technological University in Singapore. Stof als microfoon is “een heel ander concept”, zegt Yan, die aan de stof werkte toen hij bij MIT werkte.
Yan en zijn collega’s lieten zich inspireren door het menselijk trommelvlies. Geluidsgolven veroorzaken trillingen in het trommelvlies, die door het slakkenhuis worden omgezet in elektrische signalen. “Het blijkt dat dit trommelvlies van vezels is gemaakt”, zegt Yoel Fink, materiaalwetenschapper aan het MIT. In de binnenste lagen van het trommelvlies stralen collageenvezels vanuit het midden uit, terwijl andere concentrische ringen vormen. De kriskras vezels spelen een rol bij het horen en lijken op de stoffen die mensen weven, zegt Fink.
Analoog aan wat er in een trommelvlies gebeurt, trilt geluid stof op nanoschaal. In de nieuwe stof zetten katoenvezels en andere van een ietwat stug materiaal genaamd Twaron binnenkomend geluid efficiënt om in trillingen. Samen met deze draden is een enkele vezel geweven die een mengsel van piëzo-elektrische materialen bevat, die een spanning produceren wanneer ze worden ingedrukt of gebogen (SN: 22-8-17). Het knikken en buigen van de piëzo-elektrische vezel creëert elektrische signalen die door een kleine printplaat kunnen worden gestuurd naar een apparaat dat de spanning leest en registreert.
De stoffen microfoon is gevoelig voor een reeks geluidsniveaus, van een stille bibliotheek tot zwaar verkeer, meldt het team, hoewel het blijft onderzoeken welke signaalverwerking nodig is om doelgeluiden te ontwarren van omgevingsgeluid. Deze geluidsgevoelige stof is geïntegreerd in kleding en voelt aan als gewone stof, zegt Yan. En het bleef werken als een microfoon nadat het 10 keer was gewassen.
Piëzo-elektrische materialen hebben een “enorm potentieel” voor toepassingen, van het observeren van de functie van lichamen tot het bewaken van de integriteit van vliegtuigmaterialen, zegt Vijay Thakur, een materiaalwetenschapper aan het Scotland’s Rural College in Edinburgh die geen deel uitmaakte van dit werk. Ze zijn zelfs voorgesteld voor energieopwekking, maar, zegt hij, veel toepassingen zijn beperkt door de kleine spanningen die ze produceren (SN: 10/1/15). De manier waarop de vezels in deze stof zijn gemaakt – een mix van piëzo-elektrische materialen tussen andere componenten, waaronder een flexibel, rekbaar buitenmateriaal – concentreert de energie van de trillingen in de piëzo-elektrische laag, waardoor het signaal dat het produceert wordt verbeterd.
Als proof of concept verwerkte het team de stof in een shirt, dat het hart van de drager kon horen zoals een stethoscoop dat doet. Op deze manier gebruikt, kan de stoffen microfoon luisteren naar geruis en op een dag in staat zijn om informatie te verstrekken die lijkt op een echocardiogram, een echografie van het hart, zegt Thakur. Als het effectief blijkt als monitoring- en diagnostisch hulpmiddel, kan het plaatsen van dergelijke microfoons in kleding het op een dag voor artsen gemakkelijker maken om hartaandoeningen te volgen bij jonge kinderen, die moeite hebben om stil te blijven, zegt hij.
Het team verwacht ook dat stoffen microfoons het gehoor en de communicatie kunnen helpen. Een ander shirt dat het team creëerde had twee piëzo-elektrische vezels op afstand van elkaar op de rug van het shirt. Op basis van wanneer elke vezel het geluid oppikte, kan dit shirt worden gebruikt om te detecteren uit welke richting een klap kwam. En wanneer aangesloten op een stroombron, kunnen de stoffen microfoons geluid projecteren als een luidspreker.
“De afgelopen 20 jaar hebben we geprobeerd een nieuwe manier van denken over stoffen te introduceren”, zegt Fink. Naast het bieden van schoonheid en warmte, kunnen stoffen ook technologische problemen helpen oplossen. En misschien, zegt Fink, kunnen ze ook technologie verfraaien.
