Les tissus sont traditionnellement utilisés comme absorbants acoustiques en raison de leur composition et de leur structure. Inspirée par l’aide auditive, une équipe d’ingénieurs du MIT et d’ailleurs a créé un tissu qui agit comme un microphone acoustique sensible tout en conservant les propriétés traditionnelles des tissus, telles que la lavabilité en machine et le drapé.
Jan et al. a développé un tissu acoustique tissé à partir d’une fibre composée d’un matériau piézoélectrique qui produit un signal électrique lorsqu’il est fléchi ou déformé mécaniquement : (a) La membrane tympanique est une construction à quatre couches composée de fibres de collagène à haut module orientées circonférentiellement et radialement qui sont essentielles pour conduction sonore; le mouvement du tympan est finalement transmis à la cochlée via la chaîne ossiculaire, de courtes fibres ciliaires convertissant les ondes de pression en signaux électriques (ioniques) captés par le système nerveux ; (b) dans le tissu acoustique, des fils Twaron à haut module et des fils de coton sont alignés orthogonalement et imitent la construction de la peau de tambour; cette conception convertit les ondes de pression acoustique faiblement audibles en modes de vibration mécanique d’ordre inférieur ; dans le même support, un seul brin de transducteur en fibre élastomère piézoélectrique est tissé, ce qui donne un tissu à couplage synergique où la transmission du son est un effet collectif ; Il en résulte un tissu qui peut agir comme un microphone sensible, détectant les signaux sonores faibles (par exemple, la parole humaine) jusqu’à 10-7AU M. Crédit photo : Yan et al., doi : 10.1038/s41586-022-04476-9.
L’omniprésence des tissus combinée aux récentes percées dans la technologie des fibres nous permet de remettre en question les utilisations traditionnelles des tissus pour assumer de nouveaux rôles potentiellement utiles.
Il a récemment été démontré que les tissus stockent de l’énergie, communiquent, réchauffent, refroidissent, affichent et même stockent et traitent des informations numériques.
Motivés par l’ampleur de l’utilisation du tissu, sa proximité sans précédent avec le corps humain et l’importance des signaux acoustiques, le chercheur du MIT Wei Yan et ses collègues ont entrepris d’étudier si les tissus pouvaient servir de collecteurs de son efficaces pour détecter et capturer même le processus des signaux audibles faibles .
Les implications d’un tel changement dans l’utilisation des tissus seraient considérables – ils pourraient permettre aux tissus d’assurer la communication acoustique, de capter les indicateurs de santé acoustique du corps et d’augmenter la conscience acoustique de la situation.
« Nous avons essayé de créer une ‘oreille’ en tissu qui soit douce, durable, confortable et capable d’entendre le son », ont déclaré les scientifiques.
« Nos recherches ont conduit à deux découvertes importantes : un tel tissu devrait contenir des fibres rigides ou à module élevé pour convertir efficacement les ondes sonores en vibrations. »
« Et nous devions concevoir une fibre qui pourrait se plier avec le tissu et produire une sortie électrique dans le processus. »
« Avec ces directives à l’esprit, nous avons développé un bloc de matériau en couches appelé Preform, qui se compose d’une couche piézoélectrique et d’ingrédients pour amplifier les vibrations du matériau en réponse aux ondes sonores.
« La préforme résultante, de la taille d’un marqueur épais, a ensuite été chauffée et étirée comme du caramel en fibres minces de 40 m (131 pieds) de long. »
Les auteurs ont testé la sensibilité sonore de la fibre en la fixant à une feuille de Mylar suspendue.
Ils ont utilisé un laser pour mesurer la vibration de la plaque en réponse au son diffusé par un haut-parleur à proximité.
Le son variait en décibels entre une bibliothèque silencieuse et une circulation dense. En réponse, la fibre vibrait, générant un courant électrique proportionnel à la note jouée.
« Cela montre que les performances de la fibre sur la membrane sont comparables à celles d’un microphone à main », a déclaré le Dr. Grace Noel, également du MIT.
Les chercheurs ont tissé la fibre avec des fils conventionnels pour créer des panneaux de tissu drapable et lavable en machine.
Ils ont ensuite testé la sensibilité du tissu au son dirigé en frappant dans leurs mains tout en se tenant à différents angles par rapport à la chemise.
« Le tissu a pu détecter l’angle du son à 1 degré près à une distance de 3 m (10 pieds) », a déclaré le Dr. Noël
L’équipe a également cousu une seule fibre à la doublure intérieure d’une chemise juste au-dessus de la région de la poitrine et a constaté qu’elle détectait avec précision le rythme cardiaque d’un volontaire en bonne santé, ainsi que de subtiles variations dans les caractéristiques S1 et S2 du cœur, ou lub-dub.
En plus de surveiller son propre rythme cardiaque, les auteurs voient des opportunités d’incorporer le tissu acoustique dans les vêtements de maternité pour surveiller le rythme cardiaque fœtal d’un bébé.
Finalement, ils ont inversé la fonction de la fibre pour qu’elle ne serve plus de détecteur de son mais de haut-parleur.
Ils ont enregistré une série de mots parlés et ont introduit l’enregistrement dans la fibre sous la forme d’une tension appliquée.
La fibre convertit les signaux électriques en vibrations audibles qu’une deuxième fibre pourrait détecter.
En plus des aides auditives portables, des vêtements qui communiquent et des vêtements qui suivent les signes vitaux, l’équipe voit des applications au-delà des vêtements.
« Il peut être intégré dans la peau d’un vaisseau spatial pour entendre (l’accumulation) de poussière spatiale, ou intégré dans des bâtiments pour détecter des fissures ou des étirements », a déclaré le Dr. Yan.
« Il peut même être tissé dans une toile intelligente pour surveiller les poissons dans l’océan. La fibre ouvre de vastes possibilités.
« Les enseignements de cette recherche offrent littéralement une nouvelle façon pour les tissus d’écouter notre corps et l’environnement », a déclaré le Dr. Yoel Fink, également du MIT.
« L’engagement de nos étudiants, postdoctorants et personnel pour faire avancer la recherche, qui m’a toujours émerveillé, est particulièrement pertinent pour ce travail entrepris pendant la pandémie.
Le travail de l’équipe apparaît dans le journal nature.
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W.Yan et al. Les fibres individuelles activent les matériaux acoustiques via des vibrations dans la gamme nanométrique. nature, publié en ligne le 16 mars 2022 ; doi : 10.1038/s41586-022-04476-9