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¿Tienes problemas de audición? Sólo tienes que subirte la camiseta. Ésa es la idea de un nuevo "tejido acústico" desarrollado por ingenieros del MIT y colaboradores de la Escuela de Diseño de Rhode Island.
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El equipo ha diseñado un tejido que funciona como un micrófono, convirtiendo el sonido primero en vibraciones mecánicas y luego en señales eléctricas, de forma similar a como oyen nuestros oídos.
Todos los tejidos vibran en respuesta a los sonidos audibles, aunque estas vibraciones están en la escala de los nanómetros, demasiado pequeñas para ser percibidas normalmente. Para captar estas señales imperceptibles, los investigadores crearon una fibra flexible que, cuando se teje en un tejido, se dobla con él como las algas en la superficie del océano.
La fibra está diseñada con un material "piezoeléctrico" que produce una señal eléctrica cuando se dobla o se deforma mecánicamente, lo que permite al tejido convertir las vibraciones sonoras en señales eléctricas.
El tejido puede captar sonidos de distintos decibelios, desde una biblioteca silenciosa hasta el intenso tráfico rodado, y determinar la dirección precisa de sonidos repentinos, como las palmadas. Cuando se teje en el forro de una camisa, el tejido puede detectar los rasgos sutiles del latido del corazón del usuario. Las fibras también pueden generar sonidos, como una grabación de palabras habladas, que otro tejido puede detectar.
Un estudio que detalla el diseño del equipo aparece en Nature. El autor principal, Wei Yan, que ayudó a desarrollar la fibra como postdoctorado del MIT, ve muchos usos para los tejidos que oyen.
"Llevando una prenda acústica, se podría hablar a través de ella para responder a las llamadas telefónicas y comunicarse con los demás", dice Yan, que ahora es profesor adjunto en la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur. "Además, este tejido puede interactuar imperceptiblemente con la piel humana, lo que permitiría a los usuarios controlar su estado cardíaco y respiratorio de forma cómoda, continua, en tiempo real y a largo plazo"
Entre los coautores de Yan figuran Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono y los profesores John Joannopoulos y Yoel Fink del MIT, junto con Anais Missakian y Elizabeth Meiklejohn de la Escuela de Diseño de Rhode Island (RISD), Lei Zhu de la Universidad Case Western Reserve, Chu Ma de la Universidad de Wisconsin en Madison, y Reed Hoyt del Instituto de Investigación de Medicina Ambiental del Ejército de los Estados Unidos.Reed Hoyt, del Instituto de Investigación de Medicina Ambiental del Ejército de los Estados Unidos.
Capas de sonido
Los tejidos se utilizan tradicionalmente para amortiguar o reducir el sonido; ejemplos de ello son la insonorización de las salas de conciertos y las alfombras de nuestros espacios vitales. Pero Fink y su equipo llevan años trabajando para remodelar las funciones convencionales de los tejidos. Se centran en ampliar las propiedades de los materiales para hacerlos más funcionales. Al buscar formas de fabricar tejidos sensibles al sonido, el equipo se inspiró en el oído humano.
El sonido audible viaja por el aire en forma de ligeras ondas de presión. Cuando estas ondas llegan a nuestro oído, un órgano tridimensional exquisitamente sensible y complejo, la membrana timpánica, o tímpano, utiliza una capa circular de fibras para traducir las ondas de presión en vibraciones mecánicas. Estas vibraciones viajan a través de pequeños huesos hasta el oído interno, donde la cóclea convierte las ondas en señales eléctricas que son percibidas y procesadas por el cerebro.
Inspirándose en el sistema auditivo humano, el equipo trató de crear un "oído" de tela que fuera suave, duradero, cómodo y capaz de detectar el sonido. Su investigación condujo a dos descubrimientos importantes: Un tejido así tendría que incorporar fibras rígidas, o de "alto módulo", para convertir eficazmente las ondas sonoras en vibraciones. Además, el equipo tendría que diseñar una fibra que pudiera doblarse con el tejido y producir una salida eléctrica en el proceso.
Con estas directrices en mente, el equipo desarrolló un bloque de materiales en capas llamado preforma, hecho con una capa piezoeléctrica y con ingredientes para mejorar las vibraciones del material en respuesta a las ondas sonoras. La preforma resultante, del tamaño de un rotulador grueso, se calentó y se estiró como si fuera un caramelo para obtener fibras finas de 40 metros de longitud.
Escucha ligera
Los investigadores comprobaron la sensibilidad de la fibra al sonido fijándola a una lámina de mylar suspendida. Utilizaron un láser para medir la vibración de la lámina -y, por extensión, de la fibra- en respuesta al sonido emitido por un altavoz cercano. El sonido variaba en decibelios entre una biblioteca tranquila y el tráfico intenso de la carretera. En respuesta, la fibra vibró y generó una corriente eléctrica proporcional al sonido reproducido.
"Esto demuestra que el rendimiento de la fibra en la membrana es comparable al de un micrófono de mano", afirma Noel.
A continuación, el equipo tejió la fibra con hilos convencionales para producir paneles de tejido drapeable y lavable a máquina.
"La sensación es casi la de una chaqueta ligera, más ligera que la tela vaquera, pero más pesada que una camisa de vestir", dice Meiklejohn, que tejió el tejido con un telar estándar.
Cosió un panel a la espalda de una camisa, y el equipo probó la sensibilidad del tejido al sonido direccional aplaudiendo de pie en varios ángulos respecto a la camisa.
"El tejido fue capaz de detectar el ángulo del sonido con una precisión de 1 grado a una distancia de 3 metros", señala Noel.
Los investigadores prevén que un tejido detector de sonido direccional podría ayudar a las personas con pérdida de audición a sintonizar con un altavoz en un entorno ruidoso.
El equipo también cosió una sola fibra al forro interior de una camisa, justo sobre la región del pecho, y descubrió que detectaba con precisión los latidos del corazón de un voluntario sano, junto con sutiles variaciones en las características S1 y S2 del corazón, o "lub-dub". Además de monitorizar los latidos del propio corazón, Fink ve posibilidades de incorporar el tejido acústico a la ropa de maternidad para ayudar a monitorizar los latidos del feto.
Por último, los investigadores invirtieron la función de la fibra para que no sirviera de detector de sonido, sino de altavoz. Grabaron una cadena de palabras habladas y alimentaron la grabación a la fibra en forma de voltaje aplicado. La fibra convirtió las señales eléctricas en vibraciones audibles, que una segunda fibra pudo detectar
Además de los audífonos portátiles, la ropa que se comunica y las prendas que registran las constantes vitales, el equipo ve aplicaciones más allá de la ropa.
"Puede integrarse en la piel de las naves espaciales para escuchar el polvo espacial (que se acumula), o incrustarse en los edificios para detectar grietas o tensiones", propone Yan. "Incluso puede tejerse en una red inteligente para vigilar a los peces en el océano. La fibra está abriendo amplias oportunidades"
"Los aprendizajes de esta investigación ofrecen, literalmente, una nueva forma de que los tejidos escuchen nuestro cuerpo y el entorno que nos rodea", afirma Fink. "La dedicación de nuestros estudiantes, postdoctorales y personal al avance de la investigación, que siempre me ha maravillado, es especialmente relevante en este trabajo, que se llevó a cabo durante la pandemia"
