MIT-Forscher verwandeln Hemden in Hochleistungsmikrofone mit funktionalen Fasern

Ein Stoff verhält sich wie eine Flüssigkeit, sagt Professor Yoel Fink vom Massachusetts Institute of Technology – was vielleicht erklärt, warum Designer oft vom „Fall“ eines Kleidungsstücks sprechen.

„Die Stoffe, die wir tragen, haben kleine Wellen, die durch sie hindurchgehen“, sagte Fink, Professor für Materialwissenschaften am MIT. „Wir sehen sie nicht, weil sie einfach zu klein sind.“

Fink und ein Team von mehreren Universitäten, einschließlich Rhode Island School of Design, haben ein Material entwickelt, das diese winzigen Wellen einfängt.

Piezoelektrische Faser als Kerntechnologie

Die funktionale, piezoelektrische Faser erzeugt beim Biegen eine Spannung, die Signalverarbeitung und Ausgabe wertvoller Daten ermöglicht. Informationen aus dem Sensormaterial könnten künftig tragbare Hörgeräte, kommunizierende Kleidung und Kleidungsstücke zur Vitalzeichenerfassung unterstützen.

„Schon wenige funktionale Fasern ermöglichen einem gesamten Stoff, eine neue Bedeutung anzunehmen“, sagte Fink gegenüber Tech Briefs.

Herstellung: Vom Preform zum Gewebe

Das Material beginnt als rechteckiger Preform-„Block“ – etwa so groß wie ein dicker Marker. Erhitzt man den Preform, kann man ihn taffy-artig in lange Streifen ziehen.

Fink und Forscher testeten die Schallempfindlichkeit der Faser, indem sie den Sensor an ein aufgehängtes Mylar-Blatt befestigten. Mit Lasern maßen sie die Vibration des Blatts – und damit der Faser – als Reaktion auf über einen nahen Lautsprecher abgespielte Sounds. Testgeräusche umfassten verschiedene Umgebungen, von leisen Bibliotheken bis zu lauten Straßen. Die Faser vibrierte und erzeugte einen dem Sound proportionalen elektrischen Strom.

Anschließend webte das Team die Faser mit konventionellen Garnen zu Paneelen aus drapierbarer, maschinenwaschbarer Stoff.

„Es fühlt sich fast wie eine leichte Jacke an – leichter als Denim, aber schwerer als ein Hemd“, sagte Forscherin Elizabeth Meiklejohn von der Rhode Island School of Design (RISD), die den Stoff an einem Standardwebstuhl webte.

Meiklejohn arbeitete mit einem Team zusammen, das Erstautor Wei Yan (ehem. MIT-Postdoc), Prof. Fink und weitere Studenten und Forscher von MIT, Case Western Reserve University, University of Wisconsin-Madison und dem U.S. Army Research Institute of Environmental Medicine umfasste.

„Die Hingabe unserer Studenten, Postdocs und Mitarbeiter, Forschung voranzutreiben, was mich immer wieder staunen lässt, ist besonders relevant für diese Arbeit, die während der Pandemie durchgeführt wurde“, sagte Fink.

Q&A mit Prof. Yoel Fink

Tech Briefs: Mein Eindruck ist, dass Smart Clothing nicht unbedingt Anklang gefunden hat – warum glauben Sie das?

Prof. Yoel Fink: Ich glaube nicht, dass es bisher existiert, deshalb hat es nicht Anklang gefunden! Man bezeichnet dieses Feld als Wearables, und ich weise nur darauf hin, dass Wearables ein Wort für Dinge ist, die wir nicht tragen. Die Technologie, das Engineering und sogar die Wissenschaft, wie man echte Stoffe und Fasern zu besonderen Dingen befähigt, entsteht erst jetzt. Diese Zukunft passiert jetzt.

Die Idee, Uhren oder Schmuck anzulegen und all das Zeug, hat meiner Meinung nach Adoptionshürden, die den Horizont der sogenannten Wearables begrenzen.

Tech Briefs: Was sind Ihrer Meinung nach die Mängel dieser Wearables?

Prof. Yoel Fink: Erstens Bequemlichkeit. Ich glaube, wir bevorzugen es, mit so wenig Zeug wie möglich herumzulaufen. Zweitens Ästhetik. Sie sind nicht sehr ästhetisch. Drittens der Wertvorschlag. Sie liefern nicht wirklich die Gesundheitsvorteile, von denen wir glauben, dass Stoffe sie Eventually liefern werden. Auf diesen drei Punkten gibt es Verbesserungspotenzial.

Tech Briefs: Wie fühlt es sich an, Ihre funktionalen Fasern zu tragen?

Prof. Yoel Fink: Der Schlüssel ist, den Stoff so wenig wie möglich zu beeinträchtigen – dass er aussieht und sich anfühlt wie ein normaler Stoff. In dieser Hinsicht ist die Technologie im Wesentlichen unmerklich oder transparent. Man könnte dieses Hemd nicht ansehen und sagen: „OK, dieses Hemd ist ein Mikrofon, oder dieses Hemd hat Speicher, oder dieses Hemd ist berechenbar“, weil die Technologie wirklich auf Faser-Ebene sitzt.

Ich glaube, das Wichtige ist zu realisieren, dass wir hier unter anderem die Ästhetik von Technologie verändern. Man würde nie hereinkommen und sagen: „Oh, das Mikrofon ist ein Objekt der Schönheit.“ Es gibt keine Museen, die Mikrofone hosten, richtig? Das sind ziemlich unattraktive Objekte, aber wenn ich Ihnen ein Stoffmikrofon zeige, sagen Sie: „Oh mein Gott, das könnte wirklich ästhetisch sein.“ Es sieht nicht aus wie Technologie, ist es aber tatsächlich.

Tech Briefs: Wie stellen Sie den „Bericht“ der Faser so dar, dass er für den Träger hilfreich ist?

Prof. Yoel Fink: Wo wir jetzt sind: Wir verbinden diese Faser mit einer Schaltung. Die Schaltung greift die Information ab, wandelt sie in digitales Format um und ermöglicht Signalverarbeitung. Vor einem Jahr haben wir einen Paper über eine digitale Faser veröffentlicht. Diese Faser konnte analoge Signale nehmen und sie im Grunde so umwandeln, dass sie digitale Information speichern können; sie hat Speicher und ein Computerprogramm. Jetzt nehmen Sie also eine Faser, die etwas messen kann, und Sie haben eine andere Faser, die es speichern und analysieren kann. Sie setzen diese Dinge zusammen, und Sie fangen an zu sehen, wie ein Stoff zu einem Computer wird. Und das ist unser Ziel. Wir sind noch nicht ganz dort, aber auch nicht mehr weit weg.

Tech Briefs: Welche frühen Anwendungen stellen Sie sich für ein Stoffmikrofon vor?

Prof. Yoel Fink: Unsere Fasern oder Stoffe erfassen gewissermaßen den Soundtrack unseres Lebens. Jedes Mal, wenn Ihr Herz schlägt, Sie atmen, Ihren Arm beugen, gehen, sich ein Gelenk bewegt, Blut fließt – da ist Sound. Der Stoff fängt all das ein. All dieser Sound geht in einen Stoff und geht tagsüber verloren.

Was wir hier versuchen, ist zu sagen: „Könnten wir diesen Soundtrack unseres Lebens für uns zugänglich machen?“ Wir können unser Herz hören. Das ist nicht das Hören des elektrischen Signals des Herzens. Das ist das Hören des Herzens selbst. Das Herz ist eine Pumpe, und wir hören die Ventile und den Betrieb dieser Pumpe. Elektrische Signale erzählen nicht die ganze Geschichte.

Ein zweiter Aspekt: Ein Bruchteil der Bevölkerung hat Herzprobleme. Ein viel größerer Bruchteil wird irgendwann schwanger. Eines der Dinge, über die wir sprechen, ist, wie man das Ungeborene überwacht und hört, wie es kommuniziert – durch seine Geräusche, Bewegungen und auch sein Herz. Das Hören des Herzens des Ungeborenen wird uns enorme Informationen über dessen Gesundheit und Wohlbefinden geben.

Last but not least: Gruppen mit Hörbehinderungen – das sind wir alle. Wir alle werden Eventually Hörbehinderungen haben. Hörgeräte funktionieren in leisen Umgebungen, nicht in lauten.

Der Grund, warum wir zwei Ohren und zwei Augen haben, ist, dass es uns ein Gefühl für Tiefe und Richtungsbestimmung gibt. Beim Hören ermöglicht es uns, in einer Bar der Person zuzuhören, mit der wir sprechen, obwohl die Bar viel lauter ist. Durch mehrere Fasern in einem Stoff zeigen wir im Paper, dass wir die Schallrichtung unterscheiden könnten. Wir glauben, das könnte für Menschen mit Hörgeräten, die diesen eine Richtungsfähigkeit verleihen wollen, transformativ sein.

Tech Briefs: Was kommt als Nächstes?

Prof. Yoel Fink: Es heißt Fabric Computing!

Jetzt unterrichte ich einen Kurs am MIT namens Computing Fabrics, in dem wir zeigen, wie die Welt der Computation und die Welt der Stoffe konvergieren, und ich glaube, das wird enorme Implikationen für die Zukunft von uns allen haben. Die Tage des Computers oder Telefons in einer Glaskiste in unserer Tasche oder Handtasche sind gezählt. Die Zukunft des Computings liegt in Stoffen.

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