İnsan Kulağından İlham Alınan Yeni Akustik Kumaş

 

Fotoğraf 1 : Akustik fiber ve fiber preformlu kumaş (Görsel: Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren)

MIT’deki mühendisler ve Rhode Island Tasarım Okulu’ndaki işbirlikçiler tarafından geliştirilen yeni bir “akustik kumaş, tıpkı kulaklarımızın duymasına benzer şekilde, sesi önce mekanik titreşimlere, ardından elektrik sinyallerine dönüştüren bir mikrofon gibi çalışmaktadır.

Tüm kumaşlar duyulabilir seslere tepki olarak titrer, ancak bu titreşimler nanometre ölçeğindedir, yani normalde algılanamayacak kadar küçüktür. Bu algılanamayan sinyalleri yakalamak için araştırmacılar, bir kumaşa dokunulduğunda deniz yüzeyinde dalgalarla birlikte hareket eden yosunlar gibi kumaşla birlikte bükülen esnek bir lif meydana getirmişlerdir.

Fiber, büküldüğünde veya mekanik olarak deforme olduğunda bir elektrik sinyali üreten ve kumaşın ses titreşimlerini elektrik sinyallerine dönüştürmesi için bir araç görevi sağlayan, “piezoelektrik” malzemeden tasarlanmıştır.

Kumaş, sessiz bir kütüphaneden yoğun karayolu trafiğine kadar desibel olarak değişen sesleri yakalayabilmekte ve alkış gibi ani seslerin kesin yönünü belirleyebilmektedir. Kumaş, bir gömleğin astarına dokunduğunda, kullanıcının hafif kalp atışını algılayabilmektedir. Lifler ayrıca, başka bir kumaşın algılayabileceği, konuşulan kelimelerin kaydı gibi ses üretmek için de yapılabilir.

Takımın tasarımını detaylandıran bir çalışma Nature’da yayınlanmıştır. MIT doktora sonrası uzmanı olarak elyafın geliştirilmesine yardımcı olan baş yazar Wei Yan, işiten kumaşların birçok kullanım alanı olduğunu belirtmiştir.

Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Yan, “Bu kumaş insan derisiyle fark edilmeyecek bir şekilde etkileşime girebilir ve kullanıcıların kalplerini ve solunum durumlarını rahat, sürekli, gerçek zamanlı ve uzun süreli bir şekilde izlemelerini sağlar.”

Yan’ın ortak yazarları arasında Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono ve MIT’den profesörler John Joannopoulos ve Yoel Fink ile birlikte Rhode Island Tasarım Okulu’ndan ortak çalışanlar, Case Western Reserve Üniversitesi’nden Lei Zhu, Madison’daki Wisconsin Üniversitesi’nden Chu Ma ve ABD Ordusu Çevre Tıbbı Araştırma Enstitüsü’nden Reed Hoyt bulunmaktadır.

Fotoğraf 2 : Dokuma tezgahında akustik kumaş (Görsel: Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD)

Ses Katmanlama

Kumaşlar geleneksel olarak sesi kısmak veya azaltmak için kullanılır. Buna örnek olarak konser salonlarında ses yalıtımı ve yaşam alanlarımızda halı döşeme verilebilir. Ancak Fink ve ekibi, kumaşın geleneksel rollerini yeniden şekillendirmek için yıllarca çalışmıştır. Kumaşları daha işlevsel hale getirmek için malzemelerdeki özellikleri genişletmeye odaklanmaktadırlar. Ekip, sese duyarlı kumaşlar üretmenin yollarını ararken insan kulağından ilham almışlardır.

İşitilebilir ses, hafif basınç dalgaları olarak havada yayılır. Bu dalgalar, son derece hassas ve karmaşık üç boyutlu bir organ olan kulağımıza ulaştığında, kulak zarı, basınç dalgalarını mekanik titreşimlere dönüştürmek için dairesel bir lif tabakası kullanır. Bu titreşimler küçük kemiklerden iç kulağa geçer ve burada koklea, dalgaları beyin tarafından algılanan ve işlenen elektrik sinyallerine dönüştürür.

İnsan işitme sisteminden ilham alan ekip, yumuşak, dayanıklı, rahat ve sesi algılayabilen bir kumaş “kulak” meydana getirmeye çalışmışlardır. Araştırmaları iki önemli keşfe yol açmıştır: Böyle bir kumaş, ses dalgalarını etkili bir şekilde titreşimlere dönüştürmek için sert veya “yüksek modüllü” lifler içermeliydi. Ve ekibin, kumaşla birlikte bükülebilecek ve bu süreçte bir elektrik çıktısı üretebilecek bir elyaf tasarlaması gerekecekti.

Ekip, bu yönergeleri göz önünde bulundurarak, ses dalgalarına tepki olarak malzemenin titreşimlerini artırmak için bileşenlerin yanı sıra bir piezoelektrik katmandan yapılmış, preform adı verilen katmanlı bir malzeme bloğu geliştirmiştir. Elde edilen, yaklaşık kalın bir işaretleyici boyutunda olan preform, daha sonra ısıtılmış ve şekerleme gibi 40 metre uzunluğunda ince liflere çekilmiştir.

Hafif Dinleme

Araştırmacılar, lifin sese duyarlılığını, onu asılı bir mylar kağıdına bağlayarak test etmişlerdir. Yakındaki bir hoparlörden çalınan sese yanıt olarak kağıdın ve dolayısıyla fiberin titreşimini ölçmek için bir lazer kullanmışlardır. Ses, sessiz bir kütüphane ile yoğun karayolu trafiği arasında desibel olarak değişmekteydi. Yanıt olarak, fiber titreşmiş ve çalınan sesle orantılı bir elektrik akımı üretmiştir.

Noel, “Bu, fiberin zar üzerindeki performansının bir el mikrofonuyla karşılaştırılabilir olduğunu gösteriyor” demiştir.

Daha sonra ekip, dökümlü, makinede yıkanabilir kumaştan paneller üretmek için elyafı geleneksel ipliklerle dokumuştur.

Fotoğraf 3 : Akustik fiber ve fiber preformlu kumaş (Görsel: Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren)

Kumaşı standart bir dokuma tezgahı kullanarak dokuyan ortak yazar Elizabeth Meiklejohn, “Neredeyse hafif bir ceket gibi hissettiriyor – kottan daha hafif ama bir gömlekten daha ağır” demiştir.

Meiklejohn bir gömleğin arkasına bir panel dikmiş ve ekip, gömleğe çeşitli açılarda durup ellerini çırparak kumaşın yönlü sese duyarlılığını test etmiştir.

Noel, “Kumaş, sesin açısını 3 metre uzaklıktan 1 dereceye kadar algılayabildi” demiştir.

Ekip ayrıca bir gömleğin iç astarına göğüs bölgesinin hemen üzerine tek bir lif dikmiş ve sağlıklı bir gönüllünün kalp atışlarını, kalbin özelliklerindeki ince değişiklikleri doğru bir şekilde tespit ettiğini saptamıştır. Fink, kişinin kendi kalp atışlarını izlemenin yanı sıra, bir bebeğin cenin kalp atışlarını izlemesine yardımcı olmak için akustik kumaşı hamile kıyafetlerine dahil etme olasılıklarını da öngörmektedir.

Son olarak, araştırmacılar fiberin işlevini bir ses algılayıcı olarak değil, bir hoparlör olarak hizmet edecek şekilde tersine çevirmişlerdir. Bir dizi konuşulan kelimeyi kaydetmişler ve kaydı, uygulanan bir voltaj şeklinde fibere beslemişlerdir. Fiber, elektrik sinyallerini ikinci bir fiberin algılayabildiği sesli titreşimlere dönüştürmüştür.

Ekip, giyilebilir işitme cihazlarına, iletişim kuran giysilere ve yaşamsal belirtileri izleyen giysilere ek olarak, giysilerin ötesinde uygulamaları da öngörmektedir.

Yan, “Uzay tozunu dinlemek için uzay aracı kaplamasıyla entegre edilebilir veya çatlakları veya gerilmeleri tespit etmek için binalara gömülebilir” demiştir. “Okyanustaki balıkları izlemek için akıllı bir ağa bile dokunabilir. Fiber, geniş fırsatlar sunmaktadır.”

Fink, “Bu araştırmadan öğrenilenler, kumaşların vücudumuzu ve çevreyi dinlemesi için kelimenin tam anlamıyla yeni bir yol sunmaktadır” demiştir. “Öğrencilerimizin, doktora sonrası araştırmacılarımızın ve personelimizin beni her zaman hayrete düşüren ileri araştırmalara olan bağlılığı, özellikle pandemi sırasında gerçekleştirilen bu çalışmayla alakalıdır.”

Kaynak: techxplore.com