セミの羽のように薄い生地は実は「消音器」なんです！

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

騒音は現代社会においてどこにでもある「公敵」です。機械の轟音、車の騒音、人々の騒々しい声...絶え間ない騒音は私たちの気分に影響を与えるだけでなく、健康にも害を及ぼします。騒音に対抗するには防音材の助けが必要です。最新の研究によると、夏のセミの羽と同じくらい薄い絹織物が騒音を除去する「魔法の武器」になる可能性があるという。

この画期的な研究は、MIT と他の機関の学際的な共同チームによるものです。彼らはノイズキャンセリングヘッドフォンからインスピレーションを得て、特別なシルク生地をデザインしました。一見すると普通のシルクのように見えますが、薄くて軽く、手触りもシルクのようです。しかし、そこには「超能力」を持つ圧電繊維が織り込まれている。

防音ファブリックの概略図（a. トランスミッション、b. トランスミッション、c. アクティブノイズリダクション、d. 振動ノイズ抑制）

（画像出典：参考1）

圧電性とは何ですか?

圧電効果は、「圧縮する」または「圧迫する」を意味するギリシャ語の「piezein」に由来します。この効果は、特定の材料が機械的ストレスを受けると、表面に電荷が発生し、電圧が形成されるという事実を指します。この現象は、1880 年にキュリー兄弟 (ジャック・キュリーとピエール・キュリー) が水晶を研究中に初めて発見されました。

圧電材料は、天然に存在する結晶（石英、塩の結晶、骨や DNA などの特定の生物学的材料など）と人工的に合成された材料（特定のセラミックやポリマーなど）に分けられます。これらの材料に共通する特徴は、結晶構造が非中心対称であるため、外力の作用により結晶格子が容易にシフトし、表面に電荷が蓄積されることです。

圧電材料で作られたひずみゲージが形を変えると、電圧が発生します（これは誇張した図です）

(画像出典: Wikipedia)

ギフ

日常生活におけるライターや圧電点火ストーブから、ハイテク分野の医療用画像機器や精密産業用センサーまで、圧電技術は現代のテクノロジーにおいて幅広い用途に使用されています。

例えば、医療分野では、圧電材料は超音波画像装置の製造に使用されています。超音波画像装置は人体の内部構造を非侵襲的に観察することができ、現代の診断技術に欠かせないものとなっています。産業用途では、圧電センサーは機械の動作状態と健全性を検出し、メンテナンスと障害診断に役立ちます。

一般的な圧電効果は次の 2 つのモードに分けられます。

最初のモードは直接圧電効果です。圧電材料が圧力や張力などの外力を受けると、内部の結晶構造が変形して電荷が再分配され、材料全体に電圧が発生します。この効果は、センサーや発電装置の製造によく使用されます。たとえば、圧力の変化を検出したり、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換したりするために使用されます。

2 番目のモードは逆圧電効果です。直接的な圧電効果とは対照的に、圧電材料に電圧が加えられると、材料は物理的に変形します。この効果は、精密ドライブや音響バイブレーターなどの精密制御システムに広く使用されています。逆圧電効果により、材料は電気信号の制御下で精密な機械的運動を生み出すことができます。上記の研究で製造された遮音シルクに使用されている圧電繊維は、逆圧電効果を利用しています。環境内の音波が圧電繊維を励起すると、これらの繊維は音波エネルギーを電気信号に変換し、逆圧電効果によって相対的な機械振動を発生させ、逆音波を放出して元のノイズを相殺し、効率的なノイズ制御を実現します。

魔法のシルクの「殺人兵器」

遮音シルクの圧電繊維は、音を抑制する前にまず音を「聞く」必要があります。これらの驚くべき繊維は、超敏感な「耳」のようなものです。近くに騒音があると、音波とともに振動し、その振動を電気信号に変換します。研究者たちはこの特徴を巧みに利用して、布地を「目に見えない」マイクに変え、周囲の音をリアルタイムで捉えた。

しかし、音を聞くだけでは十分ではなく、ノイズを排除することが重要です。そこで科学者たちは再び創造力を駆使して、絹に「音を出す」能力を与えた。そうです、この生地は聞くだけでなく、「話す」こともできます。圧電繊維の振動を制御することで、生地は特定の周波数の音波を放出し、不要なノイズを打ち消します。 2人が同時に叫ぶと声が干渉し合ってお互いの声がはっきり聞こえないのと同じように、布地から発せられる逆音波によって騒音も「消音」されます。

アクティブノイズリダクション技術の動作原理を示す想像図。上の青い波形は通常の音楽を表し、下の青い波形はバックグラウンドノイズを表し、赤い部分はノイズを打ち消すためにヘッドフォンから積極的に放出される音波です。

（画像出典：AI合成）

活発に音を出すことに加えて、この魔法のシ​​ルクにはもう一つの「キラー機能」があります。音の発生と伝播は本質的に振動から生じることを知っておく必要があります。これらの振動を減衰させることができれば、そもそも騒音の発生を防ぐことができ、これがシルクの遮音性の2番目のモードです。

電圧を調整することで圧電繊維を静止させ、音波の伝達を遮断することができます。このモードは、飛行機や車などの騒音環境を瞬時に静かにすることができる「消音兵器」ともいえます。

実験データにより、絹織物の遮音能力が確認されています。アクティブキャンセルモードでは、騒音を最大 65 デシベルまで大幅に低減できます。これは、騒がしいレストランを図書館に変えるのと同等です。振動抑制モードでは、音の伝達を75％削減できます。

見た目が厚くて不格好な従来の防音材と比べると、セミの羽のように薄いこの絹の層は、まさに「紳士キラー」です。

ノイズ低減シルク（スケール1mm）

（画像出典：参考1）

奇妙な状況の組み合わせが私たちを未来のテクノロジーへと導く

この革新的な遮音技術の最初のインスピレーションは、実はスマート衣料の研究開発プロジェクトから生まれたものであることは特筆に値します。研究者たちは最初、人間のバイタルサインをリアルタイムで検知するために圧電繊維を衣服に織り込もうとしたが、その素材が騒音も「聞く」ことができることを発見し、そこから新たなアイデアを得て騒音低減ソリューションを開発した。

この種の類推は科学研究の魅力を証明しています。一見取るに足らない、無関係な発見にも、世界を変える力があることがよくあります。

騒音を低減するシルクの登場により、騒音の防止と制御のための新たな武器が提供されましたが、科学者たちはそこで止まりませんでした。今後、この素材の可能性をさらに探究し、多周波ノイズを遮断する方法を研究し、圧電繊維の織り方や印加電圧などのパラメータを調整することで、生地の性能を継続的に最適化していく予定です。

さらなる技術革新を経て、この防音シルクは、軽量で通気性があり、効率的でカスタマイズ可能な騒音低減の「万能薬」となり、人々にとって静かで快適な生活・作業環境を作り出すことが予想されます。

結論

この研究の意義は、新しいタイプの遮音材を生み出すことだけでなく、そこに無限の想像空間が秘められていることにあります。将来、衣服やカーテン、壁紙などあらゆるものにこの「防音シルク」が使われ、いつでもどこでも安らぎの空間が作られるようになることを想像してみてください。この騒々しい世界では、一枚の絹が思いがけない変化をもたらすかもしれません。このブラックテクノロジーができるだけ早く一般家庭に導入され、より多くの人々に長い間失われていた平穏をもたらすことを期待しながら、様子を見守りましょう。

参考文献

1. 音響放出と能動音響抑制のための単層シルクおよび綿織物、Grace H. Yang、Jinuan Lin、Henry Cheung、Guanchun Rui、Yongyi Zhao、Latika Balachander、Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Zachary P. Smith、Lei Zhu、Chu Ma、Yoel Fink

2. 古園：アクティブノイズ低減生地が利用可能で、部屋で「ノイズ低減ヘッドフォン」を着用できます。