Tehnovizija: Tkanina koja čuje

U nizu neobičnih dostignuća mnoga su vezana za otkriće novih materijala i njihovu primenu koja se graniči s naučnom fantastikom. Tim otkrićima pridružuje se i materijal koji ima mogućnost da detektuje ne samo zvukove iz okoline već, kada je integrisan u odeću, i zvukove unutar čovekovog tela – otkucaje srca, disanje…

Tkanina koja čuje je razvijena je na čuvenom MIT‑u (Massachusetts Institute of Technology), ali je glavni autor profesor Wei Yan s Tehnološkog univerziteta Nanjang iz Singapura. On se već dugo bavi proučavanjem materijala i još je kao postdiplomac radio na razvoju inovativnih materijala na MIT‑u. Na ovom univerzitetu materijalima se bavi grupa koju predvodi profesor Yoel Fink.

Sofisticirana funkcija vlakana

Profesor Fink se pre svega bavi dizajnom, proizvodnjom i karakterizacijom multimaterijalnih multifunkcionalnih vlakana. Motiv za ovo interesovanje je činjenica da su vlakna jedan od najranijih oblika ljudskog izražavanja i da su ostala gotovo nepromenjena od drevnih do modernih vremena.

Fink‑ova istraživačka grupa fokusira se na proširenje primene vlaknastih materijala, od optičkog prenosa na elektronska, optoelektronska, pa čak i akustična svojstva. Ono što ova vlakna čini jedinstvenim jeste kombinacija mnoštva različitih materijala raspoređenih u složene geometrije. Koriste se dva komplementarna pristupa za realizaciju sofisticiranih funkcija. Prvi se odnosi na nivo jednog vlakna, pri čemu se vrši integracija višestrukih funkcionalnih komponenti u jedno vlakno. Drugi pristup se odnosi na više vlakana, pri čemu se sklapaju nizovi vlakana i tkanina velikih razmera. Nudi se široka kontrola nad svojstvima materijala koja obuhvata dimenzije u rasponu od nanometara do kilometara.

Profesor Fink i njegov tim godinama su radili na preoblikovanju konvencionalnih uloga tkanine. Za razliku od tradicionalnog korišćenja tkanine za prigušivanje ili smanjenje zvuka (zvučna izolacija u koncertnim salama, tepisi u životnim prostorima), oni su se fokusirali na detektovanje zvuka i proširenje svojstava materijala. Međutim, kako ističe profesor Yan, nov materijal za detektovanje zvuka koji su napravili on i njegov tim, predstavlja „potpuno drugačiji koncept“ u odnosu na sva prethodna dostignuća.

Kao bubna opna

Kao inspiracija za ovu vrstu tkanine, profesoru Yan‑u i njegovom timu poslužilo je funkcionisanje čovekove bubne opne. Zvučni talasi, dakle mehaničke oscilacije koje se manifestuju promenom pritiska, dolaze do čovekovog uha izazivajući vibracije bubne opne, membrane koja razdvaja spoljašnje i srednje uvo. Ona pretvara talase pritiska u mehaničke vibracije, koje se zatim pretvaraju u električni signal pomoću spiralne šupljine koja se nalazi u čovekovom unutrašnjem uvu. Te električne signale detektuje i obrađuje naš mozak.

Mogu se detektovati i vrlo slabi zvuci, kao što su otkucaji srca ili ritam disanja osobe koja nosi odeću od novog materijala. Rezultati ispitivanja pokazali su da su performanse vlakna uporedive sa standardnim mikrofonima

Upravo po tom uzoru i nov akustični materijal vibrira u skladu sa zvučnim signalom koji do njega dolazi. Primećeno je da je struktura bubne opne vlaknasta. U unutrašnjim (središnjim) slojevima je vezivno tkivo (vlakna kolagena) koje je raspoređeno kružno. Spoljašnji sloj građen je od vlakana koja su raspoređena radijalno. Vlakna kolagena emituju energiju iz centra, dok spoljašnja vlakna formiraju koncentrične prstenove. Tako ukrštena, slična su pravim tkaninama koje ljudi izrađuju.

S obzirom na njegova svojstva, nov materijal je popularno nazvan tkanina‑mikrofon, a naučni rad o ovom specifičnom materijalu objavljen je u martu ove godine u eminentnom naučnom časopisu Nature. Osim članova tima iz Singapura, kao koautori rada priključili su se naučnici još nekoliko institucija (MIT, Rhode Island School of Design, CaseWestern Reserve University of Wiskonsin iz Medisona, US Army Research Institute of Environmental Medicine).

Struktura tkanine‑mikrofona

Inspirisan ljudskim slušnim sistemom, tim je pokušao da napravi „uvo“ od tkanine koja bi bila mekana i izdržljiva, ali i da ima mogućnost detektovanja zvuka. S druge strane, po izgledu treba da bude potpuno neupadljiva, a po pitanju održavanja treba da se koristiti kao i svaka druga tkanina. Razvoj takvog materijala doveo je do dva važna zaključka. Prvo, materijal treba da sadrži dovoljno čvrsta vlakna da bi se zvučni talasi efikasno pretvarali u vibracije. S druge strane, ta vlakna treba da budu dovoljno savitljiva (zajedno s tkaninom) da bi se omogućilo verno pretvaranje vibracija u električni signal.

To im je uspelo zahvaljujući specifičnom sastavu materijala. Osim osnove tkanine sastavljene od pamučnih vlakana, ona sadrži čvrst materijal tvaron (jako sintetičko vlakno otporno na toplotu i pogodno za vibracije), kao i posebno vlakno koje je mešavina piezoelektričnih materijala. Piezoelektrični materijal najpre je formiran u obliku i veličini otprilike jednog debljeg markera. Zatim je zagrevan, istezan i izvučen u tanka vlakna duga 40 metara.

Zahvaljujući piezoelektričnom vlaknu pod dejstvom pritiska (istezanja, sabijanja ili savijanja) stvara se električni napon, koji se može detektovati, očitavati i snimati. Time je ostvarena mogućnost da tkanina‑mikrofon vibrira u skladu sa zvukom koji do nje dolazi. Na taj način tkanina‑mikrofon može da zvukove iz okoline (govor, cvrkut ptica, šuštanje lišća) pretvara u električni signal. Mogu se detektovati i vrlo slabi zvuci, kao što su otkucaji srca ili ritam disanja osobe koja nosi odeću od tog materijala.

Akustična košulja

Osetljivost piezoelektričnog vlakna na zvuk istraživači su testirali tako što su ga pričvrstili na list milara. To je posebna vrsta istegnutog vrlo laganog poliesterskog filma koji se koristi kao električni i termički izolator, reflektivni materijal i za dekoraciju u prehrambenoj industriji, magnetnom snimanju, fotografskim materijalima, elektronici… U blizini lista i vlakna nalazio se zvučnik s koga se reprodukovao zvuk. Pomoću lasera merile su se vibracije lista, a samim tim i vlakna, koje su nastale pod dejstvom tog zvuka.

Varijacije zvuka koji je reprodukovan iz zvučnika kretale su se od vrlo tihog (poput tišine u biblioteci) do vrlo bučnog (kakav, na primer, izaziva buka drumskog saobraćaja). Vlakno je vibriralo i generisalo električnu struju proporcionalnu reprodukovanom zvuku. Rezultati ispitivanja pokazali su da su performanse vlakna uporedive sa standardnim mikrofonima.

Zatim se pristupilo kreiranju tkanine u koju će se to vlakno ugraditi, kako bi se mogla koristiti kao svaka druga tkanina (oblačiti, prati u mašini…). Kreirana je tkanina‑mikrofon, čija je struktura prethodno opisana (pamuk, tvaron i piezoelektrična vlakna). Od te tkanine istraživači su napravili klasičnu košulju. Zbog dodataka ugrađenih na zadnji deo košulje ona je malo teža od standardne, poput vrlo lagane jakne.

Primena u medicini, komunikacijama…

Osim registrovanja zvuka, akustična košulja je mogla da odredi i pravac iz koga zvuk dolazi, što je posebno značajno za pomoć ljudima sa oštećenim sluhom, kako bi se prilagodili registrovanju zvuka u bučnom okruženju. Eksperiment je pokazao da je tkanina‑mikrofon mogla da otkrije ugao zvuka do jednog stepena na udaljenosti od tri metra. Na taj način bi se ova akustična tkanina mogla primeniti za realizaciju slušnih aparata, ali i za komunikaciju druge vrste kao što su telefonski razgovori u bučnom okruženju.

Tim je takođe zašio jedno piezoelektrično vlakno na unutrašnji deo košulje, neposredno preko grudnog koša. Pokazalo se da je zahvaljujući tome akustična košulja tačno detektovala otkucaje srca ispitanika, što znači da ovi materijali mogu da nađu vrlo korisnu primenu u medicini, u kontroli i nadgledanju zdravstvenog stanja pacijenata u realnom vremenu. Na sličan način bi se akustična tkanina mogla primeniti i u mnogim drugim slučajevima. Na primer, mogla bi se koristiti za odeću trudnica, pri čemu bi pomogla praćenju i kontroli otkucaja srca bebe ili se sa istim ciljem ugraditi u prekrivač za bebu.

Sledeći korak u ispitivanju i mogućoj primeni je promena funkcije vlakna, što znači da bi ono umesto funkcije detektora zvuka dobilo funkciju zvučnika (reprodukcije zvuka). Istraživači su snimili niz izgovorenih reči i taj snimak uneli u vlakno u obliku promenljivog napona. Piezoelektrično vlakno je pretvorilo električne signale u zvučne vibracije. Poenta je u tome što neko drugo vlakno može da otkrije te vibracije. Sve to vodi ka mogućnosti komunikacije između odeće napravljene od akustične tkanine i otvara mnoge nove primene.

Autor: Nadežda Veljković