Una stoffa che ascolta

Un tessuto acustico ispirato all’orecchio umano è in grado di rilevare i suoni, convertendoli in vibrazioni meccaniche e poi in segnali elettrici: uno strumento utile in ambito medico per monitorare la frequenza respiratoria e il battito cardiaco, ma con possibili applicazioni anche nell’edilizia e nelle telecomunicazioni.

E se potessimo ascoltare attraverso un semplice pezzetto di stoffa? Ispirandosi al funzionamento dell’orecchio umano, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge, vicino a Boston, hanno sviluppato un tessuto acustico integrabile nella stoffa comune. Si tratta di un materiale in grado di catturare e registrare i suoni, inclusi quelli più lievi e difficilmente rilevabili. Potenzialmente è anche capace di trasmettere onde sonore ad altri tessuti analoghi.

Le applicazioni pratiche di questa tecnologia potrebbero essere diverse e numerose. Poiché il tessuto acustico permette di ascoltare e interpretare i suoni prodotti dal nostro corpo – come, per esempio, il ritmo cardiaco – potrebbe aiutare a riconoscere eventuali problemi di salute. Inoltre potrebbe facilitare la comunicazione tra persone con difficoltà uditive, migliorando il funzionamento degli apparecchi acustici. In futuro, il tessuto acustico potrebbe persino diventare un valido strumento in campo edile o ingegneristico.

A somiglianza dell’orecchio umano

I suoni che gli esseri umani percepiscono attraverso l’orecchio si propagano nell’aria sotto forma di onde di pressione. L’obiettivo della tecnologia ideata dagli scienziati del MIT è riprodurre attraverso un dispositivo tecnologico l’attività dell’apparato uditivo, riuscendo quindi a trasformare le onde sonore in vibrazioni meccaniche. Qualcosa di simile accade alle onde sonore quando incontrano i tre ossicini situati nella cassa timpanica – martello, incudine e staffa. Grazie alla coclea le onde sono quindi convertite in segnali elettrici trasmessi al cervello, e qui interpretati.

Come riportato da Nature in un articolo pubblicato il 16 marzo 2022, un processo analogo si può realizzare grazie a questi speciali filati tessili in grado di convertire le onde di pressione a intensità variabile in vibrazioni meccaniche. Queste ultime sarebbero a loro volta trasformate in impulsi elettrici grazie a uno strato di fibra piezoelettrica, composta da materiali cristallini in grado di polarizzarsi a seguito di una deformazione. Il tutto è reso possibile anche grazie a un rivestimento elastico che concentra lo stress meccanico in un punto specifico del tessuto, in modo da amplificare il suono.

L’effetto piezoelettrico diretto sopra descritto può anche diventare inverso, generando una vibrazione meccanica per effetto di una tensione elettrica. Questa caratteristica permette una comunicazione bidirezionale, sia in ricezione sia in trasmissione, anche quando si verificano deformazioni minime e dell’ordine di nanometri.

Il tessuto acustico prodotto è morbido e confortevole, e diventa ancora più performante se incorporato in filati più rigidi. Nelle fasi finali di lavorazione viene tirato fino a ottenere fibre sottili ed elastiche lunghe 40 metri: un’operazione necessaria a ottenere una sensibilità funzionale alle applicazioni pratiche. Pur occupando in volume meno dello 0,1 per cento del tessuto in cui viene inserita, la fibra piezoelettrica riesce a fungere da microfono in modo ottimale.

Un tessuto uditivo per sentire meglio e in maniera più precisa

Comunemente i tessuti vengono utilizzati per smorzare o ridurre il suono, come nell’insonorizzazione di ambienti quali sale da concerto, studi di registrazione o stanze d’albergo. Il tessuto acustico sviluppato dai ricercatori del MIT svolge esattamente il ruolo inverso, migliorando il funzionamento degli apparecchi acustici, che in generale tendono a diventare meno performanti negli ambienti rumorosi o quando sono esposti a più suoni contemporaneamente.

Con la sensibilità generata dallo strato piezoelettrico vengono rilevati rumori anche dell’ordine di pochi decibel di intensità sonora: dall’anta di un armadio che si apre a un suono di passi in casa o in strada. Persino vibrazioni che di norma sfuggono alla sensibilità dell’orecchio umano sono sufficienti a far sì che il materiale impiegato nel tessuto uditivo si pieghi o si deformi, specialmente se il filamento viene inserito all’interno di altre stoffe.

Proprio l’integrazione della fibra nei tessuti è uno degli elementi distintivi di questa soluzione, realizzabile facilmente in quanto la fibra piezoelettrica può essere indossata e perfino inserita in tessuti lavabili in lavatrice. La differenza nel peso percepito del capo di tessuto con o senza fibra acustica è minima. Dai test eseguiti è emerso inoltre che il tessuto acustico è in grado di rilevare la direzione del suono (con una precisione di un singolo grado angolare), se questo proviene da una distanza non superiore ai 3 metri: questo aspetto può diventare decisivo quando ci si trova in luoghi all’aperto, per esempio nel traffico cittadino o in una piazza affollata.

Uno strumento per la salute (e non solo)

Le possibili applicazioni dei tessuti acustici rivestono grande importanza anzitutto in ambito medico. Inserendo le fibre in abiti realizzati appositamente, è possibile monitorare una serie di parametri clinici relativi, per esempio, all’attività cardiaca e alla respirazione, di persone sane, di pazienti con patologie specifiche e perfino del feto in gravidanza, per quanto riguarda il battito. Il monitoraggio può essere continuo, per periodi di tempo anche molto lunghi e con un livello di precisione elevato.

Le potenzialità del tessuto acustico in medicina potranno essere messe all’opera una volta validate in studi clinici. Altre applicazioni si intravedono nell’edilizia, per rilevare per esempio segni di deterioramento delle strutture o la presenza di crepe, deformazioni o danni relativi agli impianti tecnici.

In una prospettiva più a lungo termine, si potrebbe persino immaginare che questi strumenti possano modificare i metodi di comunicazione: potrebbe essere non troppo lontano il momento in cui i vestiti possano rispondere alle telefonate, come oggi fanno gli smartphone. Secondo i ricercatori del MIT, il tessuto acustico potrebbe poi essere impiegato anche sui veicoli spaziali, o nel monitoraggio degli spostamenti della fauna oceanica.