MIT-onderzoekers maken hemden tot hoogpresterende microfoons met functionele vezels

Een stof gedraagt zich als een vloeistof, zegt professor Yoel Fink van het Massachusetts Institute of Technology, wat misschien verklaart waarom ontwerpers vaak zelfs naar de „stroom” van een kledingstuk verwijzen.

„De stoffen die we dragen hebben kleine golven die erdoorheen gaan,” zei Fink, professor Materials Science aan MIT. „We zien ze niet omdat ze gewoon te klein zijn.”

Fink en een team van meerdere universiteiten, waaronder Rhode Island School of Design, hebben een materiaal gemaakt dat die kleine golven vangt.

Piezo-elektrische vezels

De functionele, piezo-elektrische vezel, eenmaal gebogen, produceert een spanning die signaalverwerking en een output van waardevolle data mogelijk maakt. Informatie van het sensormateriaal kan in de toekomst draagbare hoortoestellen, kleding die communiceert, en kledingstukken die vitale functies volgen, ondersteunen.

„Het hebben van een paar functionele vezels stelt een hele stof in staat om een nieuwe betekenis te krijgen,” vertelde Fink aan Tech Briefs.

Hoe een stofgebaseerde microfoon te maken

Het materiaal begint als een prevorm rechthoekig „blok” – ongeveer de grootte van een dikke marker. Eenmaal de prevorm verwarmd, kun je het trekken, taffy-stijl, in lange stroken.

Fink en een groep onderzoekers testten de gevoeligheid van de vezel voor geluid door de sensor aan een opgehangen mylar-vel te bevestigen. Met lasers maatten de ingenieurs de trilling van het vel – en dus van de vezel – in reactie op geluiden afgespeeld via een nabijgelegen luidspreker.

Testgeluiden omvatten een scala aan omgevingen, van stille bibliotheken tot drukke wegen. De vezel trilde en genereerde een elektrische stroom evenredig met het afgespeelde geluid.

Vervolgens weefde het team de vezel met conventionele garnen om panelen van drapbare, machinewasbare stof te produceren.

„Het voelt bijna als een lichte jas – lichter dan denim, maar zwaarder dan een overhemd,” zei onderzoeker Elizabeth Meiklejohn van de Rhode Island School of Design (RISD) , die de stof weefde met een standaard weefgetouw.

Meiklejohn werkte met een team dat de leidende auteur Wei Yan omvatte, die de vezel ontwikkelde als MIT-postdoc, Prof. Fink, en een aantal extra studenten en onderzoekers van MIT, Case Western Reserve University, University of Wisconsin at Madison, en het U.S. Army Research Institute of Environmental Medicine.

„De toewijding van onze studenten, postdocs en staf aan het vooruitgang van onderzoek, wat mij altijd verbaasd heeft, is met name relevant voor dit werk, dat uitgevoerd werd tijdens de pandemie,” zei Fink.

Q&A met Prof. Yoel Fink

Tech Briefs: Mijn indruk is dat slimme kleding niet per se opgevangen heeft, waarom denkt u dat dat zo is?

Prof. Yoel Fink: Ik denk niet dat het nog bestaat, daarom is het niet opgevangen!

Mensen verwijzen naar dit veld als wearables, en ik wil gewoon wijzen op het feit dat wearables een woord is voor dingen die we niet dragen. De technologie, de engineering, en zelfs de wetenschap van hoe stoffen – echte stoffen en vezels – speciale dingen kunnen laten doen, ontstaat pas nu. Die toekomst gebeurt nu.

Het idee dat je horloges of sieraden gaat dragen en al die dingen, denk ik, heeft adoptiehurdles ontmoet, die de horizon van de zogenaamde wearables beperken.

Tech Briefs: Wat zijn dan de tekortkomingen van die wearables?

Prof. Yoel Fink: Nummer een heeft te maken met gemak. Ik denk dat we liever met zo min mogelijk spullen rondlopen. Nummer twee heeft te maken met esthetiek. Ze zijn niet erg esthetisch. Nummer drie is in termen van value proposition. Ze zijn niet echt in staat om bijvoorbeeld de gezondheidsvoordelen te leveren die we denken dat stoffen uiteindelijk zullen. Op die drie punten is er ruimte voor verbetering.

Tech Briefs: Hoe voelt het om uw functionele vezels te dragen?

Prof. Yoel Fink: De sleutel is om zo min mogelijk met de stof zelf te interfereren – om het eruit te laten zien en voelen als een normale stof. In die zin is de technologie essentieel onzichtbaar of transparant. Dus je zou niet naar dit hemd kunnen kijken en zeggen, „OK, dit hemd is een microfoon, of dit hemd heeft geheugen, of dit hemd is in staat om berekeningen te doen,” omdat de technologie echt op vezelniveau zit.

Ik denk dat het belangrijke is om te realiseren dat wat we hier bespreken is, onder andere, het veranderen van de esthetiek van technologie. Je zou nooit binnenkomen en zeggen, „Oh, de microfoon is dit object van schoonheid.” Er zijn geen musea die microfoons hosten, toch? Die zijn tamelijk onaantrekkelijke objecten, maar als ik je een stofmicrofoon toon, zou je zeggen, „Oh mijn God, dit kan echt esthetisch zijn.” Het ziet er niet uit als technologie, maar het is eigenlijk wel.

Tech Briefs: Hoe toon je dan het „verslag” van de vezel op een manier die nuttig is voor de drager?

Prof. Yoel Fink: Waar we nu zijn: We verbinden deze vezel met een schakeling. De schakeling pakt de informatie en converteert het naar een digitaal formaat en stelt signaalverwerking in staat. Een jaar geleden publiceerden we een papier over een digitale vezel . Die vezel kon signalen die analoog zijn converteren om basis te leggen voor het opslaan van digitale informatie; het heeft geheugen en een computerprogramma. Dus nu neem je een vezel die iets kan meten, en je hebt een andere vezel die het kan opslaan en analyseren. Je zet deze dingen samen, en je begint te zien hoe een stof een computer wordt. En dat is waar we naar mikken. We zijn er nog niet helemaal, maar we zijn niet ver weg.

Tech Briefs: Welke vroege toepassingen voorstelt u u voor een stofmicrofoon?

Prof. Yoel Fink: Onze vezels of stoffen vangen, op sommige manieren, de soundtrack van ons leven. Elke keer dat je hart klopt, elke keer dat je een adem inhaalt, elke keer dat je je arm buigt, elke keer dat je loopt, elke keer dat een gewricht beweegt, elke keer dat bloed stroomt, is er geluid. De stoffen vangen al dat. Al dat geluid komt in een stof en gaat verloren over de dag.

Dus wat we proberen te doen is te zeggen: „Kunnen we die soundtrack van ons leven voor ons toegankelijk maken?” We kunnen naar ons hart luisteren. Dit is niet luisteren naar het elektrisch signaal van het hart. Dit is luisteren naar het hart zelf. Het hart is een pomp, en we luisteren naar de kleppen en de werking van die pomp. Elektrische signalen vertellen niet het hele verhaal.

Een tweede stuk: Nu is er een fractie van de bevolking die hartproblemen heeft. Er is een veel grotere fractie van de bevolking die op een gegeven moment in hun leven zwanger wordt. En een van de dingen waar we over praten is hoe we de ongeborene kunnen monitoren en luisteren naar de manier waarop de ongeborene communiceert – door hun geluiden en hun beweging en ook door hun hart. In staat zijn om naar het hart van de ongeborene te luisteren gaat ons enorme informatie geven over hun gezondheid en welzijn.

Laatst maar niet minst: De groepen die gehoorproblemen hebben, wat ons allemaal is. We zullen allemaal uiteindelijk gehoorproblemen hebben. Hoortoestellen werken in stille omgevingen, niet in luidruchtige omgevingen.

De reden waarom we twee oren en twee ogen hebben is omdat het ons een gevoel van diepte en richting geeft. Voor gehoor stelt dat ons in staat om in een bar te zitten en te luisteren naar de persoon met wie we praten, ook al is de bar veel luidruchtiger. Door meerdere vezels in een stof te hebben, tonen we in het papier dat we de richting van geluid kunnen onderscheiden. We denken dat dat echt transformatief kan zijn voor mensen die hoortoestellen hebben en die een richtingsgerichte capaciteit aan die hoortoestellen willen toevoegen.

Tech Briefs: Wat is de volgende stap?

Prof. Yoel Fink: Het heet Fabric Computing!

Nu geef ik een cursus aan MIT genaamd Computing Fabrics waar we laten zien hoe de wereld van berekening en de wereld van stoffen samenkomen, en ik denk dat dat enorme implicaties zal hebben voor de toekomst van ons allemaal. De dagen van de computer of telefoon in een glazen doos in onze zak of handtas zijn geteld. De toekomst van computing zit in stoffen.

Wat denk je? Deel je vragen en opmerkingen hieronder.