Inspirado en el oído humano, un nuevo tejido acústico convierte los sonidos audibles en señales eléctricas.
¿Tiene problemas para escuchar? Solo sube tu camisa. Esa es la idea detrás de un nuevo “tejido acústico” desarrollado por ingenieros del MIT y colaboradores de la Escuela de Diseño de Rhode Island.
El equipo ha diseñado un tejido que funciona como un micrófono, convirtiendo el sonido primero en vibraciones mecánicas y luego en señales eléctricas, de forma similar a como escuchan nuestros oídos.
Todas las telas vibran en respuesta a los sonidos audibles, aunque estas vibraciones están en la escala de nanómetros, demasiado pequeñas para ser detectadas 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 las algas marinas en la superficie del océano.
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 varían en decibelios, desde una biblioteca tranquila hasta el tráfico pesado, y determinar la dirección precisa de sonidos repentinos como aplausos.
Cuando se teje en el forro de una camisa, la tela puede detectar las sutiles características del latido del corazón del usuario. Las fibras también se pueden hacer para generar sonido, como una grabación de palabras habladas, que otro tejido puede detectar.
Un estudio que detalla el diseño del equipo aparece hoy en Nature . El autor principal, Wei Yan, quien ayudó a desarrollar la fibra como postdoctorado del MIT, ve muchos usos para las telas que escuchan.
“Usando una prenda acústica, puede hablar a través de ella para contestar llamadas telefónicas y comunicarse con otros”, dice Yan, quien ahora es profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. “Además, este tejido puede interactuar imperceptiblemente con la piel humana, lo que permite a los usuarios controlar su estado cardíaco y respiratorio de manera cómoda, continua, en tiempo real y a largo plazo”.
Los coautores de Yan incluyen a Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono y los profesores John Joannopoulos y Yoel Fink del MIT, junto con Anais Missakian y Elizabeth Meiklejohn de la Rhode Island School. of Design (RISD), Lei Zhu de la Universidad Case Western Reserve, Chu Ma de la Universidad de Wisconsin en Madison y Reed Hoyt del Instituto de Investigación de Medicina Ambiental del Ejército de EE. UU.
Capas de sonido
Los tejidos se utilizan tradicionalmente para amortiguar o reducir el sonido; los ejemplos incluyen la insonorización en las salas de conciertos y las alfombras en nuestros espacios habitables. Pero Fink y su equipo han trabajado durante años para remodelar los roles convencionales de la tela. Se enfocan en extender las propiedades de 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.
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 el cerebro detecta y procesa.
Inspirándose en el sistema auditivo humano, el equipo buscó crear un «oído» de tela que fuera suave, duradero, cómodo y capaz de detectar el sonido. Su investigación condujo a dos descubrimientos importantes: dicha tela tendría que incorporar fibras rígidas o de «módulo alto» para convertir efectivamente las ondas sonoras 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 e ingredientes para mejorar las vibraciones del material en respuesta a las ondas sonoras. La preforma resultante, del tamaño de un marcador grueso, se calentó y se estiró como un caramelo en fibras delgadas de 40 metros de largo.
Escucha ligera
Los investigadores probaron la sensibilidad de la fibra al sonido uniéndola a una hoja suspendida de mylar. Usaron 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 silenciosa y un tráfico pesado. En respuesta, la fibra vibró y generó una corriente eléctrica proporcional al sonido reproducido.
“Esto demuestra que el rendimiento de la fibra en la membrana es comparable al de un micrófono de mano”, dice Noel.
Luego, el equipo tejió la fibra con hilos convencionales para producir paneles de tela drapeable y lavable a máquina.
“Se siente casi como una chaqueta liviana, más liviana que la mezclilla, 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 se paraban en varios ángulos con respecto a la camisa.
“La tela pudo detectar el ángulo del sonido con una precisión de 1 grado a una distancia de 3 metros”, señala Noel.
Los investigadores prevén que un tejido de detección de sonido direccional podría ayudar a las personas con pérdida auditiva a sintonizar un altavoz en 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 el latido del corazón de un voluntario sano, junto con variaciones sutiles en las características S1 y S2 del corazón, o «lub-dub». Además de controlar los latidos del corazón, Fink ve posibilidades de incorporar el tejido acústico en la ropa de maternidad para ayudar a controlar los latidos del corazón fetal de un bebé.
Finalmente, los investigadores invirtieron la función de la fibra para que sirviera no como detector de sonido sino como altavoz. Registraron una serie de palabras habladas y enviaron la grabación a la fibra en forma de 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 el polvo espacial (acumulado), o incrustarse en edificios para detectar grietas o tensiones», propone Yan. “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 que nos rodea”, dice Fink. “La dedicación de nuestros estudiantes, posdoctorados y personal para hacer avanzar la investigación, que siempre me ha maravillado, es especialmente relevante para este trabajo, que se llevó a cabo durante la pandemia”.
Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. – Meta-Defense.fr a través del Instituto de nanotecnologías para el soldado (ISN) – Centro de Estudio Grl Mosconi (undef.edu.ar) Sea Grant > Bienvenidos a NOAA Sea Grant
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