Исследователи создали новую ткань, волокна которой действуют как микрофон, который может улавливать речь, шелест листьев и даже щебетание птиц, а также фиксировать слабые звуки такие как биение сердца своего владельца.
Ткани, содержащие новые волокна, могут стать простым, удобным и, возможно, модным способом прослушивания деятельности органов или улучшения слуха.
При этом ткань, которая взаимодействует со звуками, существует, возможно, сотни лет, говорит Вэй Ян, который работал над тканью в Массачусетском технологическом институте в Кембридже. Как материаловед, Вэй Ян использует физику и химию для исследования и разработки материалов. Ткани обычно использовались для приглушения звука, отмечает Ян, который сейчас работает в Наньянском технологическом университете в Сингапуре. По его словам, использование ткани в качестве микрофона — это «совершенно другая концепция».
Новое исследование было вдохновлено человеческой барабанной перепонкой. Звуковые волны вызывают вибрацию барабанной перепонки, а затем ушная улитка преобразует эти вибрации в электрические сигналы. Как оказалось, сама барабанная перепонка состоит из волокон, которые перекрещиваются в её внутренних слоях. При этом некоторые из них выходят из центра барабанной перепонки, а другие образуют окружности, при этом сами волокна, состоят из коллагена, а их расположение напоминает ткань.
Новая ткань содержит хлопковые волокна, а также волокна, изготовленные из жёсткого материала под названием Twaron. Эта комбинация помогает преобразовывать энергию звука. Кроме того ткань также включает в себя особое волокно, которое содержит смесь
пьезоэлектрических материалов. Такие материалы создают напряжение при сжатии или сгибании. Крошечные изгибы пьезоэлектрического волокна создают электрические сигналы, которые могут быть отправлены на считывающее устройство.
Фото: sciencedirect.com
Такой тканевый микрофон может работать в диапазоне уровней звука и быть одинаково эффективным как в тихой библиотеке, так и при интенсивном движении. По словам учёных, при использовании в одежде новая звукочувствительная ткань ощущается также как обычная, при этом она продолжает работать как микрофон даже после десятикратной стирки. Однако исследователи всё ещё работают над программным обеспечением, которое позволит отделить звуки, которые они хотят услышать, от фонового шума.
Исследователи и ранее изучали пьезоэлектрические материалы для получения энергии из вибраций, но эти материалы были ограничены очень малыми значениями напряжения, которые удавалось получить, при этом, по словам учёных, новый способ изготовления специальных волокон решает эту проблему.
Учитывая, что их внешний слой очень эластичный и гибкий, для деформации такого материала не требуется много энергии, что позволяет сконцентрировать энергию звуковых колебаний в пьезоэлектрическом слое.
Таким образом, тканевый микрофон получается более чувствительным.
В качестве доказательства эффективности концепции, команда исследователей создала рубашку с использованием новой ткани, которая подобно стетоскопу позволила фиксировать сердцебиение своего владельца и надежно измерить частоту его сердечных сокращений. Кроме того, по словам исследователей, удалось зафиксировать звуковые сигнатуры закрытия определенных сердечных клапанов, таким образом в будущем новая ткань сможет предоставлять информацию, аналогичную эхокардиограмме.
Если будет доказано, что ткани нового типа действительно позволяют производить наблюдения за телом для диагностики заболеваний, они могут найти широкое применение. К примеру, такая одежда может облегчить отслеживание сердечных заболеваний у малышей, которым трудно оставаться неподвижными.
Кроме того, такой тканевый микрофон может помочь людям с проблемами слуха, при этом он может как усиливать звук, так и помогать определить его направление. Чтобы проверить это, Ян и его коллеги создали рубашку с двумя чувствительными к звуку участками на спине, которые были разнесены друг от друга, что давало небольшую разницу в том, когда каждый из них улавливал звук. Также результаты проведенных исследований указывают на то, что при подключении к источнику сигнала ткань, изготовленная с применением новых волокон, может воспроизводить звук, выступая в роли динамика, при этом сигналы, посылаемые на ткань, вызывают слышимые звуки.
Проведенное исследование представляет новый взгляд на ткани, применение которых в одежде уже давно обеспечивает людей красотой и теплом, но как выяснилось, они могут выполнять ещё больше функций.