Wearables: Dieser Stoff „hört“ den Herzschlag

Wearables in Form intelligenter Stoffe und in Kleidung eingearbeiteter Sensoren werden in Zukunft immer mehr Bedeutung erlangen. Ein Team des Massachusetts Institute of Technology sowie der Rhode Island School of Design haben nun einen Stoff entwickelt, der wie ein Mikrophon arbeitet und Töne in mechanische Vibrationen und schließlich in elektrische Signale umwandelt. Mit dieser Technologie lässt sich etwa der Herzschlag eines Menschen wahrnehmen.

Stoff nimmt Geräusche wahr

Alle Stoffe vibrieren als Reaktion auf Schallwellen. Diese Vibrationen finden im Nanometer-Bereich statt, was es quasi unmöglich macht, sie wahrzunehmen. Um diese Signale wahrzunehmen, haben die ForscherInnen eine flexible Faser erschaffen, die sich, wenn sie in Stoffe eingewoben wird, mit diesen biegen kann. Die Faser besteht aus einem piezoelektrischem Material, das ein elektrisches Signal erzeugt, wenn es mechanisch deformiert wird. So ist es möglich, Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln. Der von dem Team geschaffene Stoff nimmt Geräusche von einer ruhigen Bibliothek hin zu starkem Verkehr wahr. Im Falle isolierter Geräusche kann der Stoff außerdem die Richtung feststellen, aus der diese kommen. Ein aus dem Stoff hergestelltes Shirt kann etwa die Herzschläge seines Trägers wahrnehmen. Des Weiteren sind die Fasern in der Lage, Schallwellen zu erzeugen.

Menschliches Ohr als Vorbild

„Wearing an acoustic garment, you might talk through it to answer phone calls and communicate with others. In addition, this fabric can imperceptibly interface with the human skin, enabling wearers to monitor their heart and respiratory condition in a comfortable, continuous, real-time, and long-term manner„, so Hauptautor Wei Yan, der die Fasern als Postdoc am MIT entwickelt hat und nun eine Assistenzprofessur an der Nanyang Technological University in Singapur innehat.

Stoffe werden unter anderem verwendet, um Geräusche zu reduzieren oder zu dämpfen. Das ist zum Beispiel einer der Hauptgründe, aus denen Wohnräume mit Teppichen ausgelegt werden. Das Team arbeitet nun allerdings schon seit Jahren daran, das traditionelle Verständnis von Stoffen aufzubrechen. Dabei konzentrieren sich darauf, Stoffe mit zusätzlichen Eigenschaften zu versehen, um sie funktionaler zu machen. Bei dem „hörenden“ Stoff ließen sich die ForscherInnen – wenig überraschend – vom menschlichen Ohr inspirieren.

Das Ohr nimmt den Schalldruck von Schallwellen über das Trommelfell auf und überträgt diesen in mechanische Vibrationen, die dann im Innenohr in elektrische Signale umgewandelt und ans Hirn weitergeleitet werden.

Das Team machte sich daran, eine Art „Ohr“ aus Stoff zu erschaffen. Dieser Stoff sollte weich, haltbar und komfortabel sein – und natürlich in der Lage, Geräusche zu detektieren und zu verarbeiten. Hierfür sind relativ steife Fasern erforderlich, die die Schallwellen in Vibrationen umwandeln können. Eine weitere FAser sollte dann dafür zuständig sein, die Vibrationen in elektrische Signale umzuwandeln.

Stoff als Lautsprecher

Das Resultat der Arbeit der ForscherInnen war eine Faser, deren Sensitivität ähnlich der der Membran eines Mikrophons ist. Anschließend verwebten sie diese Faser mit herkömmlichen Fasern zu einem Stoff, der sogar in der Waschmaschine gewaschen werden kann. Aus diesem schneiderte das Team dann ein Shirt. Wenn der Stoff in der Brustregion verwendet wurde, so konnte der Herzschlag des Trägers registriert werden. Es gelang den WissenschaftlerInnen außerdem, die Funktion der Faser umzukehren und sie als eine Art Lautsprecher einzusetzen.

Die ForscherInnen sehen ein breites Einsatzgebiet für die Technologie, die über den Einsatz in Kleidung hinausgeht. „ “It can be integrated with spacecraft skin to listen to (accumulating) space dust, or embedded into buildings to detect cracks or strains. It can even be woven into a smart net to monitor fish in the ocean. The fiber is opening widespread opportunities„, so das Team.

via MIT