Inspirado en el oído humano, un nuevo tejido acústico convierte los sonidos audibles
en señales eléctricas.
Un equipo del MIT ha diseñado una tela acústica, tejida con una fibra que está
diseñada a partir de un material piezoeléctrico que produce una señal eléctrica
cuando se dobla o se deforma mecánicamente, proporcionando un medio para que la tela
convierta las vibraciones de sonido en señales eléctricas.
Sí, tal cual, un tejido acústico inspirado en el oído humano puede convertir los
sonidos
audibles en señales eléctricas.
Fabricación del tejido acústico
El tejido está hecho de una fibra piezoeléctrica que convierte las ondas de presión
en vibraciones mecánicas.
Estas vibraciones mecánicas se transforman en señales eléctricas, de forma similar a
lo que ocurre en la cóclea del oído.
Con una pequeña cantidad de fibra piezoeléctrica se pueden crear decenas de metros
cuadrados de tejido acústico.
Este tejido puede detectar señales sonoras débiles, como la voz humana.
Si se aplica a una camisa o polera, puede detectar los rasgos del latido del
corazón.
En general, la energía sonora se puede convertir en energía eléctrica mediante el
uso de transductores, como micrófonos o dispositivos piezoeléctricos.
Telas vibrantes en frecuencias
El tejido diseñando funciona como un micrófono, convirtiendo el
sonido primero en vibraciones mecánicas, luego en señales eléctricas, de manera
similar a cómo nuestros oídos escuchan.
Todas las telas vibran en frecuencia a sonidos audibles, aunque estas vibraciones
están en la escala de nanómetros, demasiado pequeñas para ser percibidas
normalmente.
Para capturar estas señales imperceptibles, los investigadores crearon
una fibra flexible que, cuando se teje en una tela, se dobla con la tela como algas
marinas en la superficie oceánica.
La tela puede detectar latidos del corazón
La fibra está diseñada a partir de un material piezoeléctrico que produce una
señal eléctrica cuando se dobla o se deforma mecánicamente, proporcionando un medio
para que la tela convierta las vibraciones del sonido en señales eléctricas.
La tela puede capturar sonidos que van en decibeles desde una sala de biblioteca
silenciosa
hasta un tráfico pesado, y determinar la dirección precisa de sonidos repentinos
como aplausos.
Cuando el tejido se coloca en el forro de una camisa, la tela puede detectar las
sutiles características del latido del corazón de la persona que usa la camisa.
Las fibras también se
pueden fabricar para generar sonido, como una grabación de palabras habladas, que
otra
tela puede detectar.
Wein Yan, el autor principal
El autor principal de este estudio es Wei Yan, profesor asistente en
la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, quien ayudó a desarrollar la
fibra como un
postdoctorado del MIT, ve muchos usos para las telas que escuchan.
“Usando una prenda acústica, puedes hablar a través de ella para responder llamadas
telefónicas y comunicarte con otros.”
“Además, este tejido puede
interactuar imperceptiblemente con la piel humana, lo que permite a los usuarios
controlar su corazón y su condición respiratoria de una manera cómoda, continua, en
tiempo real y a largo plazo".
Capas de sonido
Las telas se usan tradicionalmente para amortiguar o reducir el sonido; los ejemplos
incluyen insonorización en salas de conciertos y alfombras en nuestros espacios de
vida. Pero el equipo ha trabajado durante años para remodelar los roles
convencionales de las telas. Se centran en extender las propiedades en los
materiales para hacer que las telas sean más funcionales.
Al buscar formas de hacer
telas sensibles al sonido, el equipo se inspiró en el oído humano.
Ondas de presión
El sonido audible viaja a través del aire como ligeras ondas de presión. Cuando
estas ondas llegan a nuestro oído, un órgano tridimensional exquisitamente sensible
y complejo, la membrana timpánica, o tímpano, utiliza una capa circular de fibras
para traducir las ondas de presión en vibraciones mecánicas. Estas vibraciones
viajan a través de pequeños huesos hacia el oído interno, donde la cóclea convierte
las ondas en señales eléctricas que son detectadas y procesadas por el cerebro.
Así lo hicieron
Inspirado en el sistema auditivo humano, el equipo buscó crear un tejido "audible" que
fuera suave, duradero, cómodo y capaz de detectar el sonido.
Su investigación
condujo a dos descubrimientos importantes:
Tal tela tendría que incorporar fibras
rígidas, o “de alto módulo,” para convertir efectivamente las ondas de sonido en
vibraciones. Y, el equipo tendría que diseñar una fibra que pudiera doblarse con la
tela y producir una salida eléctrica en el proceso.
Con estas pautas en mente, el equipo desarrolló un bloque de capas de materiales
llamado preforma, hecho de una capa piezoeléctrica, así como ingredientes para
mejorar las vibraciones del material en respuesta a las ondas de sonido.
Sensibilidad de las fibras
Los investigadores probaron la sensibilidad de las fibras al sonido uniéndolo a una
lámina suspendida de mylar. Utilizaron un láser para medir la vibración de la hoja,
y, por extensión, la fibra, en respuesta al sonido reproducido a través de un
altavoz cercano. El sonido variaba en decibelios entre una biblioteca tranquila y un
tráfico pesado. En respuesta, la fibra vibró y generó una corriente eléctrica
proporcional al sonido reproducido.
Esto muestra que el rendimiento de la fibra en la membrana es comparable a un
micrófono de mano.
A continuación, el equipo tejió la fibra con hilos convencionales para producir
paneles de tela drapable y lavable a máquina.
Comentarios y testimonios del estudio
"Se siente casi como una chaqueta ligera, pero más pesada
que una camisa de vestir,” dice Meiklejohn, quien tejió la tela con un telar
estándar.
Cosió un panel en la parte posterior de una camisa, y el equipo probó la
sensibilidad de la tela al sonido direccional aplaudiendo mientras estaban parados
en varios ángulos con la camisa.
La tela pudo detectar el ángulo del sonido dentro de 1 grado a una distancia de 3
metros.
Los investigadores prevén que un tejido de detección de sonido direccional podría
ayudar a las personas con pérdida auditiva a sintonizar un parlante en medio de un
entorno ruidoso.
El equipo también cosió una sola fibra al forro interior de una camisa, justo sobre
la región del pecho, y descubrió que detectaba con precisión los latidos del corazón
de un voluntario sano, junto con variaciones sutiles en las características “lub-dub”
que es el sonido que se produce al escuchar el corazón con un
estetoscopio y que se debe al cierre de las válvulas del corazón.
Se trata de un componente
normal del ciclo cardíaco.
Además de monitorear los latidos cardíacos propios
de adultos, Fink ve posibilidades de incorporar el tejido acústico en el desgaste de
maternidad para ayudar a controlar los latidos cardíacos fetales de un bebé.
Conclusiones
Finalmente, los investigadores revirtieron la función de las fibras para servir no
como un detector de sonido sino como un altavoz.
Grabaron una cadena de palabras
habladas y alimentaron la grabación a la fibra en forma de un voltaje aplicado. La
fibra convirtió las señales eléctricas en vibraciones audibles, que una segunda
fibra pudo detectar.
Además de los audífonos portátiles, la ropa que se comunica y las prendas que
rastrean los signos vitales, el equipo ve aplicaciones más allá de la ropa.
Se puede integrar con la piel de la nave espacial para escuchar (acumulando) el
polvo espacial, o incrustado en edificios para detectar grietas o tensiones,
incluso se puede tejer en una red inteligente para monitorear peces en el
océano. La fibra está abriendo oportunidades generalizadas.
Los aprendizajes de esta investigación ofrecen literalmente una nueva forma para
que las telas escuchen nuestro cuerpo y el entorno circundante.
Fuente: Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)
