Neue Textilien mit Fasern, die mithören

Flexible, piezoelektrische Fasern wandeln Schallwellen in elektrische Signale um und machen Stoffe zu Mikrofonen.

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Prototyp eines "Mikrofon"-Stoffs mit eingewobenen Akustik-Fasern wandelt Schallwellen in elektrische Pulse um.

(Bild: Fink Lab MIT/Elizabeth Meiklejohn RISD/Greg Hren)

Lesezeit: 3 Min.
Von
  • Jan Oliver Löfken

Elektrisch aktive Fasern verwandeln im Labor Textilien bereits in kleine Kraftwerke, Kühlmodule oder Stromspeicher. Nun könnte ein T-Shirt zusätzlich auch als Mikrofon dienen. Dieses Kunststück gelang amerikanischen Materialforschern mit eigens gefertigten, piezoelektrischen Fasern, die sie in einen Stoff eingewoben haben. Solche Akustik-Stoffe könnten in Zukunft zur Unterstützung von Hörhilfen oder auch für eine Echtzeit-Analyse des Herzschlags genutzt werden.

Yoel Fink und seine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge nutzten für ihre Faser elastische Kunststofffasern, die selbst bereits mechanische Bewegungen in elektrische Spannungspulse umwandeln können. Doch dieser piezoelektrische Effekt war bisher zu klein, um auf die kleinen Druckunterschiede von Schallwellen ausreichend reagieren zu können. Daher lagerten sie in einen unter Wärme aufgeweichten Piezo-Kunststoff zusätzlich piezoelektrische Nanokristalle aus Bariumtitanat ein. Diese Masse pressten sie durch eine feine Düse. Bei diesem Prozess fügten sie zugleich filigrane Kupferdrähte als Elektroden zu der Akustik-Faser hinzu. So entstand ein 70 Meter langer und knapp einen Millimeter dünner, flexibler Faden.

Diesen Faden woben Fink und Kollegen in ein Textilgewebe ein. Eine einzige Akustik-Faser genügte dabei, um ein größeres bis zu einem Quadratmeter großes Stoffstück in ein Mikrofon zu verwandeln. Trafen nun Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 200 und 1.000 Hertz auf diesen Stoff, entstanden kleine Spannungspulse abhängig von der Lautstärke. Ein Händeklatschen beispielsweise erzeugte Spannungspulse von knapp einem Volt. Diese Spannungspulse lassen sich wiederum über einen Verstärker in hörbare Schallwellen umwandeln.

Akustik-Faser hört mit (5 Bilder)

Die neu entwickelten Fasern können mechanische Bewegungen in elektrische Spannungspulse umwandeln.
(Bild: Greg Hren)

Die hohe Empfindlichkeit eines Mikrofons erreicht dieser Akustik-Stoff allerdings noch nicht. Aber sie genügt, um etwa den Ort einer Schallquelle genau orten zu können. "Der Stoff konnte die Richtung des Schalls in drei Meter Abstand bis auf einen Grad genau erkennen", sagt die an den Arbeiten beteiligte Forscherin Grace Noel. So könnte ein T-Shirt mit Akustik-Fasern beispielsweise Menschen mit eingeschränktem Hörvermögen dabei helfen, sich optimal zu einer Schallquelle hin auszurichten. In einem weiteren Versuch ließ sich mit dem Akustik-Stoff – getragen im Brustbereich einer Testperson – der Herzschlag wahrnehmen und ebenfalls in elektrische Signale überführen.

Diese Experimente zeigen, dass sich Textilien mit piezoelektrischen Fasern als Detektor für Schallwellen eignen. In weiteren Versuchen könnte die Empfindlichkeit mit optimierten Akustik-Fasern weiter erhöht werden. Ergänzt mit weiteren funktioniellen Fasern etwa zur Erzeugung und Speicherung von Strom lockt die Entwicklung funktioneller Kleidung für Hörgeschädigte oder für eine permanente Kontrolle der Herzfunktion ohne Brustgurt oder Smartwatch. Da die Akustik-Faser tausendfachen Verbiegungen und selbst mehreren Wäschen mühelos standhielt, wäre sie für einen Dauereinsatz auch stabil genug.

(jle)