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Un tissu qui "entend" les bruits de votre cœur

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Vous avez du mal à entendre ? Il suffit d'augmenter le volume de votre chemise. C'est l'idée qui sous-tend un nouveau "tissu acoustique" mis au point par des ingénieurs du MIT et des collaborateurs de la Rhode Island School of Design.

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L'équipe a conçu un tissu qui fonctionne comme un microphone, convertissant le son d'abord en vibrations mécaniques, puis en signaux électriques, de la même manière que nos oreilles entendent.

Tous les tissus vibrent en réponse à des sons audibles, mais ces vibrations sont de l'ordre du nanomètre, bien trop petites pour être détectées d'ordinaire. Pour capter ces signaux imperceptibles, les chercheurs ont créé une fibre flexible qui, lorsqu'elle est tissée dans un tissu, se plie avec le tissu comme une algue à la surface de l'océan.

La fibre est conçue à partir d'un matériau "piézoélectrique" qui produit un signal électrique lorsqu'il est plié ou déformé mécaniquement, ce qui permet au tissu de convertir les vibrations sonores en signaux électriques.

Le tissu peut capter des sons dont le niveau de décibels varie d'une bibliothèque silencieuse à un trafic routier intense, et déterminer la direction précise de sons soudains tels que des battements de mains. Lorsqu'il est tissé dans la doublure d'une chemise, le tissu peut détecter les battements subtils du cœur de son porteur. Les fibres peuvent également être conçues pour générer un son, tel qu'un enregistrement de paroles, qu'un autre tissu peut détecter.

Une étude détaillant la conception de l'équipe est publiée dans Nature. L'auteur principal, Wei Yan, qui a participé à la mise au point de la fibre en tant que post-doc au MIT, voit de nombreuses utilisations pour les tissus qui entendent.

"En portant un vêtement acoustique, vous pourriez parler à travers lui pour répondre à des appels téléphoniques et communiquer avec d'autres personnes", explique M. Yan, qui est désormais professeur adjoint à l'université technologique de Nanyang à Singapour. "En outre, ce tissu peut s'interfacer imperceptiblement avec la peau humaine, permettant aux porteurs de surveiller leur état cardiaque et respiratoire de manière confortable, continue, en temps réel et à long terme."

Les co-auteurs de Yan sont Grace Noel, Gabriel Loke, Tural Khudiyev, Juliette Marion, Juliana Cherston, Atharva Sahasrabudhe, Joao Wilbert, Irmandy Wicaksono, et les professeurs John Joannopoulos et Yoel Fink du MIT, ainsi qu'Anais Missakian et Elizabeth Meiklejohn de la Rhode Island School of Design (RISD), Lei Zhu de la Case Western Reserve University, Chu Ma de l'Université du Wisconsin à Madison, et Reed Hoyt de l'Institut de recherche en médecine environnementale de l'armée américaine.S. Army Research Institute of Environmental Medicine.

Superposition de sons

Les tissus sont traditionnellement utilisés pour amortir ou réduire le son, comme par exemple l'insonorisation des salles de concert et les moquettes dans nos espaces de vie. Mais M. Fink et son équipe s'efforcent depuis des années de repenser les rôles traditionnels des tissus. Ils se concentrent sur l'extension des propriétés des matériaux pour rendre les tissus plus fonctionnels. Pour trouver des moyens de fabriquer des tissus sensibles au son, l'équipe s'est inspirée de l'oreille humaine.

Le son audible se propage dans l'air sous forme de légères ondes de pression. Lorsque ces ondes atteignent notre oreille, un organe tridimensionnel complexe et extrêmement sensible, la membrane tympanique, ou tympan, utilise une couche circulaire de fibres pour traduire les ondes de pression en vibrations mécaniques. Ces vibrations voyagent à travers de petits os jusqu'à l'oreille interne, où la cochlée convertit les ondes en signaux électriques qui sont détectés et traités par le cerveau.

S'inspirant du système auditif humain, l'équipe a cherché à créer une "oreille" en tissu qui serait souple, durable, confortable et capable de détecter les sons. Leurs recherches ont conduit à deux découvertes importantes : Un tel tissu devrait incorporer des fibres rigides, ou "à haut module", pour convertir efficacement les ondes sonores en vibrations. L'équipe devait également concevoir une fibre capable de se plier avec le tissu et de produire une sortie électrique au cours du processus.

Avec ces directives à l'esprit, l'équipe a mis au point un bloc de matériaux en couches, appelé préforme, composé d'une couche piézoélectrique et d'ingrédients destinés à renforcer les vibrations du matériau en réponse aux ondes sonores. La préforme obtenue, de la taille d'un marqueur épais, a ensuite été chauffée et tirée comme de la tire en fines fibres de 40 mètres de long.

Une écoute légère

Les chercheurs ont testé la sensibilité de la fibre au son en l'attachant à une feuille de mylar suspendue. Ils ont utilisé un laser pour mesurer la vibration de la feuille - et par extension, de la fibre - en réponse à un son diffusé par un haut-parleur situé à proximité. Le son variait en décibels entre une bibliothèque calme et un trafic routier intense. En réponse, la fibre a vibré et a généré un courant électrique proportionnel au son diffusé.

"Cela montre que les performances de la fibre sur la membrane sont comparables à celles d'un microphone à main", explique M. Noel.

L'équipe a ensuite tissé la fibre avec des fils conventionnels pour produire des panneaux de tissu pouvant être drapés et lavés en machine.

"Le tissu ressemble à une veste légère, plus légère qu'un jean, mais plus lourde qu'une chemise", explique M. Meiklejohn, qui a tissé le tissu sur un métier à tisser standard.

Elle a cousu un panneau au dos d'une chemise et l'équipe a testé la sensibilité du tissu aux sons directionnels en frappant dans leurs mains tout en se tenant à différents angles par rapport à la chemise.

"Le tissu a été capable de détecter l'angle du son à un degré près à une distance de 3 mètres", note Noel.

Les chercheurs pensent qu'un tissu sensible aux sons directionnels pourrait aider les personnes malentendantes à entendre un orateur dans un environnement bruyant.

L'équipe a également cousu une seule fibre à la doublure intérieure d'une chemise, juste au-dessus de la poitrine, et a constaté qu'elle détectait avec précision les battements de cœur d'un volontaire en bonne santé, ainsi que les variations subtiles des caractéristiques S1 et S2 du cœur, ou "lub-dub". Outre la surveillance des battements de son propre cœur, M. Fink envisage la possibilité d'incorporer le tissu acoustique dans les vêtements de maternité pour aider à surveiller les battements du cœur du fœtus.

Enfin, les chercheurs ont inversé la fonction de la fibre pour qu'elle ne serve pas de détecteur de sons mais de haut-parleur. Ils ont enregistré une série de mots parlés et ont transmis l'enregistrement à la fibre sous la forme d'une tension appliquée. La fibre a converti les signaux électriques en vibrations audibles, qu'une deuxième fibre a pu détecter

Outre les appareils auditifs portables, les vêtements qui communiquent et les vêtements qui suivent les signes vitaux, l'équipe voit des applications au-delà des vêtements.

"Il peut être intégré à la peau des vaisseaux spatiaux pour écouter la poussière spatiale (qui s'accumule), ou intégré dans les bâtiments pour détecter les fissures ou les tensions", propose Yan. "Elle peut même être tissée dans un filet intelligent pour surveiller les poissons dans l'océan. La fibre ouvre de vastes possibilités."

"Les enseignements de cette recherche offrent littéralement une nouvelle façon pour les tissus d'être à l'écoute de notre corps et de l'environnement qui nous entoure", déclare Fink. "Le dévouement de nos étudiants, de nos post-doctorants et de notre personnel pour faire avancer la recherche, qui m'a toujours émerveillé, est particulièrement pertinent pour ce travail, qui a été réalisé pendant la pandémie."