Inspiré de l’oreille humaine, un nouveau tissu acoustique convertit les sons audibles en signaux électriques

Inspiré de l'oreille humaine, un nouveau tissu acoustique convertit les sons audibles en signaux électriques

Fibre acoustique et tissu avec préforme fibreuse. Crédit : Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren

Vous avez du mal à entendre ? Remontez simplement votre chemise. C’est l’idée derrière un nouveau “tissu acoustique” développé par des ingénieurs du MIT et des collaborateurs de la Rhode Island School of Design.

L’équipe a conçu un tissu qui fonctionne comme un microphone, convertissant le son d’abord en vibrations mécaniques, puis en signaux électriques, de la même manière que nos oreilles entendent.

Tous les tissus vibrent en réponse à des sons audibles, bien que ces vibrations soient de l’ordre du nanomètre, bien trop petites pour être normalement détectées. Pour capter ces signaux imperceptibles, les chercheurs ont créé une fibre flexible qui, une fois tissée dans un tissu, se plie avec le tissu comme des algues à la surface de l’océan.

La fibre est conçue à partir d’un matériau « piézoélectrique » qui produit un signal électrique lorsqu’il est plié ou déformé mécaniquement, permettant au tissu de convertir les vibrations sonores en signaux électriques.

Le tissu peut capturer des sons allant en décibels d’une bibliothèque silencieuse à un trafic routier intense, et déterminer la direction précise de sons soudains comme des claquements de mains. Lorsqu’il est tissé dans la doublure d’une chemise, le tissu peut détecter les caractéristiques subtiles des battements de cœur d’un porteur. Les fibres peuvent également être conçues pour générer un son, tel qu’un enregistrement de paroles, qu’un autre tissu peut détecter.

Une étude détaillant la conception de l’équipe apparaît dans Nature. L’auteur principal Wei Yan, qui a aidé à développer la fibre en tant que post-doctorant au MIT, voit de nombreuses utilisations pour les tissus qui entendent.

“En portant un vêtement acoustique, vous pourriez parler à travers pour répondre aux appels téléphoniques et communiquer avec les autres”, explique Yan, qui est maintenant professeur adjoint à l’Université technologique de Nanyang à Singapour. “De plus, ce tissu peut s’interfacer de manière imperceptible avec la peau humaine, permettant aux porteurs de surveiller leur état cardiaque et respiratoire de manière confortable, continue, en temps réel et à long terme.”

Les co-auteurs de Yan incluent Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono et les professeurs John Joannopoulos et Yoel Fink au MIT, ainsi que des collaborateurs de la Rhode Island School of Design ( RISD), Lei Zhu de la Case Western Reserve University, Chu Ma de l’Université du Wisconsin à Madison et Reed Hoyt de l’US Army Research Institute of Environmental Medicine.

Inspiré de l'oreille humaine, un nouveau tissu acoustique convertit les sons audibles en signaux électriques

Tissus acoustiques sur métier à tisser. Crédit : Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD

Superposition sonore

Les tissus sont traditionnellement utilisés pour amortir ou réduire le son ; les exemples incluent l’insonorisation dans les salles de concert et la moquette dans nos espaces de vie. Mais Fink et son équipe ont travaillé pendant des années pour redéfinir les rôles conventionnels du tissu. Ils se concentrent sur l’extension des propriétés des matériaux pour rendre les tissus plus fonctionnels. En cherchant des moyens de fabriquer des tissus sensibles au son, l’équipe s’est inspirée de l’oreille humaine.

Le son audible se propage dans l’air sous forme de légères ondes de pression. Lorsque ces ondes atteignent notre oreille, un organe tridimensionnel extrêmement sensible et complexe, la membrane tympanique, ou tympan, utilise une couche circulaire de fibres pour traduire les ondes de pression en vibrations mécaniques. Ces vibrations se propagent à travers les petits os jusqu’à l’oreille interne, où la cochlée convertit les ondes en signaux électriques qui sont détectés et traités par le cerveau.

Inspirée par le système auditif humain, l’équipe a cherché à créer une « oreille » en tissu qui serait douce, durable, confortable et capable de détecter le son. Leurs recherches ont conduit à deux découvertes importantes : un tel tissu devrait incorporer des fibres rigides ou « à module élevé » pour convertir efficacement les ondes sonores en vibrations. Et, l’équipe devrait concevoir une fibre qui pourrait se plier avec le tissu et produire une sortie électrique dans le processus.

Avec ces directives à l’esprit, l’équipe a développé un bloc de matériaux en couches appelé préforme, composé d’une couche piézoélectrique ainsi que d’ingrédients pour améliorer les vibrations du matériau en réponse aux ondes sonores. La préforme résultante, de la taille d’un marqueur épais, a ensuite été chauffée et tirée comme de la tire en fines fibres de 40 mètres de long.

Écoute légère

Les chercheurs ont testé la sensibilité de la fibre au son en l’attachant à une feuille de mylar suspendue. Ils ont utilisé un laser pour mesurer la vibration de la feuille – et par extension, la fibre – en réponse au son diffusé par un haut-parleur à proximité. Le son variait en décibels entre une bibliothèque silencieuse et une circulation routière dense. En réponse, la fibre vibrait et générait un courant électrique proportionnel au son joué.

“Cela montre que les performances de la fibre sur la membrane sont comparables à celles d’un microphone à main”, déclare Noel.

Ensuite, l’équipe a tissé la fibre avec des fils conventionnels pour produire des panneaux de tissu drapable et lavable en machine.

Inspiré de l'oreille humaine, un nouveau tissu acoustique convertit les sons audibles en signaux électriques

Fibre acoustique et tissu avec préforme fibreuse. Crédit : Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren

“Cela ressemble presque à une veste légère – plus légère qu’un denim, mais plus lourde qu’une chemise habillée”, explique la co-auteure Elizabeth Meiklejohn, une étudiante diplômée du RISD qui a tissé le tissu à l’aide d’un métier à tisser standard.

Elle a cousu un panneau à l’arrière d’une chemise et l’équipe a testé la sensibilité du tissu au son directionnel en tapant des 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 mètres”, note Noel.

Les chercheurs envisagent qu’un tissu de détection sonore directionnel pourrait aider les personnes malentendantes à se connecter à un haut-parleur dans un environnement bruyant.

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 découvert 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, Fink voit des possibilités d’incorporer le tissu acoustique dans les vêtements de maternité pour aider à surveiller le rythme cardiaque fœtal d’un bébé.

Enfin, les chercheurs ont inversé la fonction de la fibre pour qu’elle serve non pas de détecteur de son mais de haut-parleur. Ils ont enregistré une chaîne de mots prononcés et ont transmis l’enregistrement à la fibre sous la forme d’une tension appliquée. La fibre a converti les signaux électriques en vibrations audibles, qu’une deuxième fibre a pu 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 à la peau d’un vaisseau spatial pour écouter (l’accumulation) de poussière spatiale, ou intégré dans des bâtiments pour détecter des fissures ou des déformations”, propose Yan. “Il peut même être tissé dans un filet intelligent pour surveiller les poissons dans l’océan. La fibre ouvre de nombreuses opportunités.”

“Les enseignements de cette recherche offrent littéralement une nouvelle façon pour les tissus d’écouter notre corps et l’environnement qui nous entoure”, déclare Fink. “Le dévouement de nos étudiants, postdocs et personnel à faire avancer la recherche qui m’a toujours émerveillé est particulièrement pertinent pour ce travail, qui a été réalisé pendant la pandémie.”


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Plus d’information:
Yoel Fink, La fibre unique permet des tissus acoustiques via des vibrations à l’échelle nanométrique, Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41586-022-04476-9. www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Inspiré de l’oreille humaine, un nouveau tissu acoustique convertit les sons audibles en signaux électriques (16 mars 2022) récupéré le 16 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-human-ear-acoustic-fabric- audible.html

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