新しい音感知生地 - この「セーター」はあなたの心拍音を聞くことができます

最近、マサチューセッツ工科大学（MIT）とロードアイランド・スクール・オブ・デザインのエンジニアが協力し、マイクのように音を「聞く」だけでなく、スピーカーのように音を「出す」こともできる新しい「音響ファブリック」を開発した。

静かな図書館から交通量の多い交通の騒音まで、音響ファブリックはこれらのデシベル範囲の音を捉え、拍手などの音の正確な方向を特定することができます。この素材をシャツの裏地に織り込むと、着用者の微妙な心拍信号も検知できるようになります。

この成果の詳細な紹介は、ネイチャー誌の最新号に掲載されました。

論文の筆頭著者で、MITの博士研究員（現在はシンガポールの南洋理工大学の助教授）のウェイ・ヤン氏は、この研究結果は私たちの体や周囲の音を聞く新しい方法を提供し、想像もできない多くの応用が生まれるだろうと語った。

「音声感知機能付きの衣服を身に着けると、電話に出たり、他の人とコミュニケーションをとったりすることができます。さらに、この生地は人間の皮膚と接触することもできるので、着用者は心臓や呼吸の状態を快適かつ継続的にリアルタイムで長期的に監視することができます」とフィンク氏は語った。

人間の耳にヒントを得た音響材料

伝統的な布地は、音を和らげたり遮断したりするためによく使用されます。例えば、コンサートホールの遮音層や日常生活で使われるカーペットなどです。しかし、MITの研究者チームは何年もかけて、布の伝統的な役割を改革する取り組みを続けてきました。生地の機能性を高めるなど、素材の特性を拡張することに重点を置いています。

今回、音を感知する布地の作り方を模索する中で、研究者たちは人間の耳の「聴覚原理」に大きなインスピレーションを得た。

音は実際には空気中を伝わる圧力波です。これらの音波が耳に届くと、非常に敏感で複雑な三次元器官である鼓膜が圧力波を機械的な振動に変換します。これらの振動は耳小骨を通って内耳に伝わり、そこで蝸牛がこれらの振動波を脳で感知して処理できる電気信号に変換します。

いくつかの音は非常に小さく、通常は知覚できませんが、対応する振動を引き起こします。ただし、これらの振動はナノメートルレベルになることもあります。これらの感知できない振動信号を捉えるために、研究チームは人間の聴覚系にヒントを得て、柔らかく、耐久性があり、快適で、音を検知できる布製の「耳」を作ろうとした。

（出典：ネイチャー）

これを実現するために、彼らは次のことを発見しました。布地には、音波を効果的に振動に変換するために、硬い繊維、つまり「高弾性」繊維を組み込む必要がありました。そして第二に、布地と一緒に曲がり、その過程で電気出力を生み出すことができる特殊な繊維を設計する必要がありました。

これらの前提条件を念頭に置いて、研究チームは、圧電層と音波に反応して振動する補強材料コンポーネントで作られた、プリフォームと呼ばれる層状材料ブロックを開発しました。出来上がったプレハブ材料のブロックは、マーカーペンほどの大きさで、加熱され、ファッジのように引っ張られて、長さ 40 メートルの繊維になります。

実際、この繊維は、曲げたり機械的に変形させたりしたときに電気信号を生成する「圧電」材料から作られており、布地に音の振動を電気信号に変換する手段を与えています。この柔軟な繊維を布地に織り込むと、まるで海中の海藻のように布地とともに自由に曲がることができます。

聞くだけでなく、音を出すこともできる

音を感知する繊維の感度をテストするために、研究者たちはそれを吊り下げたポリエステルフィルムに取り付け、近くのスピーカーから再生された音に対するシート（そして繊維）の振動をレーザーで測定した。

静かな図書館と交通量の多い道路では音のデシベルレベルが異なりますが、音響繊維はそれに応じて振動し、再生される音に比例した電流を生成します。

「これは、膜上の音響感知ファイバーの性能が、ハンドヘルドマイクの性能に匹敵することを示している」と、研究論文の著者の一人であるMIT化学工学部のグレース・ノエル氏は言う。

次に、研究チームは特別に設計された音響繊維を従来の糸と織り合わせて、ドレープ性があり、洗濯機で洗える布地を製造しました。研究者らは、この合成繊維はデニムよりは軽いがドレスシャツよりは重い、軽量ジャケットのような感触だと述べた。

研究者たちはその後、シャツの内側に布を縫い付け、シャツに対してさまざまな角度で立ちながら手を叩くことで、布の方向音知覚に対する感度をテストした。結果は、この布地が3メートルの距離で1度以内の音の角度を検出できることを示しました。

研究者たちは、ある方向の音を感知できるこのタイプの感知布は、聴覚障害を持つ人々が騒がしい環境でも外部の音を聞き取るのに役立つ可能性があると考えている。

（出典：MIT）

さらに、研究チームはシャツの裏地、だいたい胸のあたりに繊維を縫い付け、音感知素材が健康なボランティアの心拍だけでなく、心拍特性の微妙な変化も正確に検知できることを発見した。

研究者たちは、心拍のモニタリングに加え、マタニティウェアに音を感知する生地を組み込むことで胎児の心拍のモニタリングにも役立つ可能性があると考えています。

さらに興味深いのは、研究者たちが新しいアイデアを思いついたことです。音響繊維の機能が逆転し、音響検出器としてではなくスピーカーとして使用された場合、何が起こるでしょうか?

この目的のために、研究者たちはまず、一連の話し言葉を録音し、その録音を電圧の形で音響繊維に送り込んだ。彼らは、音響繊維が電気信号を可聴振動に変換できることを発見し、別の音響繊維を「耳」として使用して、音響繊維から発せられる音の振動を検出することに成功しました。

ウェアラブル補聴器、音声で通信できる衣服、バイタルサインを追跡できる衣服に加えて、チームはさらに多くの用途の可能性を見出しています。

「宇宙船の衣服に組み込んで宇宙塵を監視したり、建物に埋め込んでひび割れや歪みを検知したりすることもできる」とヤン氏は示唆した。 「この繊維をスマートネットに織り込んで、海の魚を監視することも可能だ。これは、音響センシングファイバーが大きな可能性を切り開いていることを示している。」

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04476-9

https://news.mit.edu/2022/fabric-acoustic-microphone-0316

出典: アカデミックヘッドライン