"Chất liệu âm thanh" mới nghe âm thanh của trái tim bạn

Lấy cảm hứng từ tai người, một loại vải âm thanh mới chuyển đổi âm thanh nghe được thành tín hiệu điện.

Bạn gặp khó khăn khi nghe? Chỉ cần lật lên áo sơ mi của bạn. Đó là ý tưởng đằng sau một loại “vải âm thanh” mới được phát triển bởi các kỹ sư tại MIT và các cộng tác viên tại Trường Thiết kế Rhode Island.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một loại vải hoạt động giống như một chiếc micrô, chuyển đổi âm thanh đầu tiên thành dao động cơ học, sau đó thành tín hiệu điện, tương tự như cách tai chúng ta nghe.

Tất cả các loại vải đều rung động theo âm thanh nghe được, mặc dù những rung động này ở quy mô nanomet – quá nhỏ để có thể cảm nhận được thông thường. Để nắm bắt những tín hiệu không thể nhận thấy này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại sợi linh hoạt, khi dệt thành vải, nó sẽ uốn cong với vải giống như rong biển trên bề mặt đại dương.

Sợi được thiết kế từ vật liệu “áp điện” tạo ra tín hiệu điện khi bị uốn cong hoặc biến dạng cơ học, cung cấp phương tiện để vải chuyển đổi rung động âm thanh thành tín hiệu điện.

Loại vải này có thể ghi lại các âm thanh khác nhau ở mức độ decibel từ thư viện yên tĩnh đến giao thông trên đường đông đúc và xác định hướng chính xác của âm thanh đột ngột như tiếng gõ bàn tay. Khi được dệt thành lớp lót của áo sơ mi, vải có thể phát hiện ra các đặc điểm nhịp tim tinh tế của người mặc. Các sợi này cũng có thể được chế tạo để tạo ra âm thanh, chẳng hạn như bản ghi âm các từ đã nói, mà một loại vải khác có thể phát hiện được.

Một nghiên cứu chi tiết về thiết kế của nhóm đã được công bố vào ngày 16 tháng 3 năm 2022, trên tạp chí Nature . Tác giả chính Wei Yan, người đã giúp phát triển loại sợi này như một postdoc của MIT, nhận thấy có nhiều công dụng đối với các loại vải.

Yan, người hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore, cho biết: “Mặc một bộ quần áo âm thanh, bạn có thể nói chuyện qua nó để trả lời các cuộc gọi điện thoại và giao tiếp với những người khác. “Ngoài ra, loại vải này có thể tiếp xúc với da người một cách không dễ nhận thấy, cho phép người mặc theo dõi tình trạng tim và hô hấp của họ một cách thoải mái, liên tục, trong thời gian thực và lâu dài.”

Các đồng tác giả của Yan bao gồm Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono, và các giáo sư John Joannopoulos và Yoel Fink tại MIT, cùng với Anais Missakian và Elizabeth Meiklejohn tại Rhode Island School thiết kế (RISD), Lei Zhu từ Đại học Case Western Reserve, Chu Ma từ Đại học Wisconsin tại Madison, và Reed Hoyt thuộc Viện Nghiên cứu Y học Môi trường của Quân đội Hoa Kỳ.

Phân lớp âm thanh

Vải thường được sử dụng để làm ẩm hoặc giảm âm thanh; ví dụ như cách âm trong phòng hòa nhạc và trải thảm trong không gian sống của chúng tôi. Nhưng Fink và nhóm của anh ấy đã làm việc trong nhiều năm để cải tiến các vai trò thông thường của vải thời trang. Họ tập trung vào việc mở rộng các đặc tính trong vật liệu để làm cho các loại vải có nhiều chức năng hơn. Khi tìm cách tạo ra các loại vải cảm ứng âm thanh, nhóm nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ tai người.

Âm thanh nghe được truyền trong không khí dưới dạng sóng áp suất nhẹ. Khi những sóng này đến tai chúng ta, một cơ quan ba chiều cực kỳ nhạy cảm và phức tạp, màng nhĩ, hay màng nhĩ, sử dụng một lớp sợi tròn để chuyển sóng áp suất thành dao động cơ học. Những rung động này truyền qua các xương nhỏ vào tai trong, nơi ốc tai chuyển đổi sóng thành tín hiệu điện được não bộ cảm nhận và xử lý.

Lấy cảm hứng từ hệ thống thính giác của con người, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tạo ra một loại “tai” bằng vải mềm, bền, thoải mái và có thể phát hiện âm thanh. Nghiên cứu của họ đã dẫn đến hai khám phá quan trọng: Một loại vải như vậy sẽ phải kết hợp các sợi cứng, hay còn gọi là “mô đun cao”, để chuyển đổi hiệu quả sóng âm thanh thành dao động. Và, nhóm nghiên cứu sẽ phải thiết kế một loại sợi có thể uốn cong với vải và tạo ra một đầu ra điện trong quá trình này.

Với những hướng dẫn này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một khối vật liệu phân lớp được gọi là phôi, được làm từ lớp áp điện cũng như các thành phần để tăng cường độ rung của vật liệu khi phản ứng với sóng âm. Mẫu phôi thu được, có kích thước bằng một chiếc bút dạ dày, sau đó được nung nóng và kéo như taffy thành những sợi mỏng, dài 40 mét.

Nghe nhẹ

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra độ nhạy của sợi với âm thanh bằng cách gắn nó vào một tấm mylar lơ lửng. Họ sử dụng tia laser để đo độ rung của tấm – và bằng cách mở rộng, sợi quang – phản ứng với âm thanh được phát qua loa gần đó. Âm thanh thay đổi theo decibel giữa một thư viện yên tĩnh và giao thông trên đường đông đúc. Để phản ứng lại, sợi quang rung động và tạo ra một dòng điện tỷ lệ với âm thanh được phát.

Noel nói: “Điều này cho thấy hiệu suất của sợi quang trên màng có thể so sánh với một micrô cầm tay.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ đan sợi với các loại sợi thông thường để tạo ra các tấm vải có thể xếp nếp, có thể giặt bằng máy.

Meiklejohn, người dệt vải bằng khung dệt tiêu chuẩn cho biết: “Nó có cảm giác gần giống như một chiếc áo khoác nhẹ – nhẹ hơn denim, nhưng nặng hơn một chiếc áo sơ mi.

Cô ấy đã khâu một tấm vải vào mặt sau của một chiếc áo sơ mi, và nhóm nghiên cứu đã kiểm tra độ nhạy của vải với âm thanh định hướng bằng cách vỗ tay khi đứng ở nhiều góc độ khác nhau so với áo sơ mi.

Noel cho biết: “Loại vải có thể phát hiện góc của âm thanh trong vòng 1 độ ở khoảng cách 3 mét.

Các nhà nghiên cứu hình dung rằng một loại vải cảm biến âm thanh định hướng có thể giúp những người bị khiếm thính điều chỉnh được loa giữa môi trường xung quanh ồn ào.

Nhóm nghiên cứu cũng khâu một sợi duy nhất vào lớp lót bên trong của áo sơ mi, ngay trên vùng ngực và nhận thấy nó phát hiện chính xác nhịp tim của một tình nguyện viên khỏe mạnh, cùng với các biến thể tinh tế trong S1 và S2 của tim, hoặc các tính năng “lub-dub”. Ngoài việc theo dõi nhịp tim của chính mình, Fink nhận thấy các khả năng kết hợp vải âm thanh vào quần áo bà bầu để giúp theo dõi nhịp tim thai của em bé.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã đảo ngược chức năng của sợi quang để không phải là một máy dò âm thanh mà là một loa. Họ ghi lại một chuỗi các từ được nói và đưa bản ghi vào sợi quang dưới dạng một điện áp đặt vào. Sợi quang đã chuyển đổi tín hiệu điện thành rung động âm thanh, mà sợi thứ hai có thể phát hiện ra.

Ngoài thiết bị trợ thính có thể đeo, quần áo liên lạc và quần áo theo dõi các dấu hiệu quan trọng, nhóm nghiên cứu còn thấy các ứng dụng ngoài quần áo.

“Nó có thể được tích hợp với vỏ tàu vũ trụ để lắng nghe (tích tụ) bụi không gian, hoặc nhúng vào các tòa nhà để phát hiện các vết nứt hoặc biến dạng,” Yan đề xuất. “Nó thậm chí có thể được đan thành một tấm lưới thông minh để theo dõi cá trong đại dương. Chất xơ đang mở ra cơ hội rộng rãi. ”

Fink nói: “Kết quả của nghiên cứu này cung cấp một cách hoàn toàn mới để các loại vải có thể lắng nghe cơ thể chúng ta và môi trường xung quanh. “Sự cống hiến của các sinh viên, postdocs và nhân viên của chúng tôi để thúc đẩy nghiên cứu luôn làm tôi ngạc nhiên, đặc biệt là có liên quan đến công việc này, được thực hiện trong thời kỳ đại dịch.”

Tham khảo: “Sợi đơn cho phép các loại vải âm thanh thông qua rung động quy mô nanomet” của Wei Yan, Grace Noel, Gabriel Loke, Elizabeth Meiklejohn, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Guanchun Rui, Jinuan Lin, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono , Reed W. Hoyt, Anais Missakian, Lei Zhu, Chu Ma, John Joannopoulos và Yoel Fink, 16 tháng 3 năm 2022, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-022-04476-9

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thông qua Viện Công nghệ Nano cho Người lính, Quỹ Khoa học Quốc gia, Sea Grant NOAA.

Theo Scitechdaily