Пьезоэлектрические нити превращают ткань в микрофон и громкоговоритель

Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) разработали ткань, которая способна служить чувствительным микрофоном. Улавливая слабые вибрации, вызванные акустическими колебаниями, материал превращает их в электрические сигналы почти так, как это происходит в нашем собственном ухе. Такая ткань позволит создать более совершенные аппараты для слабослышащих или просто одежду, отслеживающую пульс. Ученые уже получили и успешно испытали прототип подобной рубашки, о чем рассказывают в статье, опубликованной в журнале Nature.

Вообще, любая ткань слегка колеблется под действием акустических волн, однако эти вибрации крайне слабы и быстро затухают. Чтобы регистрировать их, Вэй Янь (Wei Yan) и его коллеги создали тонкие нити из гибкого пьезоэлектрика. В таких материалах приложение механического напряжения индуцирует накопление заряда на поверхности, как при появлении искры в «кнопочных» зажигалках. Эти нити сплели с обычными хлопковыми и дополнительно укрепили полимером Twaron.

Как отмечают ученые, схожим образом работает внутреннее ухо человека, регистрируя звук. Акустические колебания заставляют вибрировать барабанную перепонку, основу которой тоже образует сложное переплетение нитей — волокон упругого белка коллагена. Таким же способом исследователи соединили свои искусственные нити, получив миниатюрные блоки, регистрирующие звук. Даже крайне слабые вибрации создают в них заряд, который можно легко и точно зарегистрировать.

Эти нити авторы работы использовали вместе с хлопковым волокном, и при поддержке коллег из Школы дизайна штата Род-Айленд получили готовую мягкую ткань — по словам ученых, она вышла потяжелее обычной хлопковой, но легче, чем джинсовая. Пару участков из нее пришили на спину рубашки и испытали, хлопая в ладоши на разном расстоянии. Ткань позволила точно локализовать источник звука на дистанциях вплоть до трех метров. А если эту нить располагали в районе левого плеча, она могла улавливать даже сердцебиение носителя, причем с точностью, достаточной для того, чтобы различать первый и второй тоны (S1 и S2).

Наконец, Вэй Янь и его коллеги продемонстрировали, что такую же ткань можно использовать для обратного эффекта — генерации звука. Прикладывая нужное напряжение к пьезоэлектрическим нитям, они заставили ее вибрировать, воспроизводя заранее записанную речь, словно динамик. Ученые надеются, что эти нити, сплетенные с разными видами волокон, станут основой для множества разнообразных «умных» материалов с весьма полезными свойствами. Например, покрытие космического корабля сможет «слышать» мельчайшие сотрясения, вызванные ударами микрометеоритов, или замечать звуки, связанные с появлением в корпусе микротрещин.