Eine von einem Spinnennetz inspirierte Struktur kann sehr schwache Geräusche erkennen, indem sie direkt den winzigen Bewegungen der Luft folgt.
Ein Geräusch ist nicht nur etwas, das unsere Ohren wahrnehmen. Es entspricht einer Bewegung der in der Luft vorhandenen Teilchen. Herkömmliche Mikrofone erfassen vor allem die durch diese Bewegung verursachten Druckschwankungen. Die Forschenden wählten einen anderen Ansatz, inspiriert von bestimmten Spinnen, die mit ihrem Netz direkt die Bewegung der Luft wahrnehmen können.
Der Sensor basiert daher auf einer äußerst leichten Struktur, die einem kleinen Netz ähnelt. Dank ihrer großen Flexibilität kann sie den Bewegungen der durch eine Schallwelle ausgelösten Luftteilchen folgen. Dieser Ansatz erleichtert insbesondere die Erkennung schwacher und tiefer Töne, bei denen die Luftbewegungen mit einer starren Membran nur schwer zu messen sein können.
Nun muss diese winzige Bewegung in verwertbare Informationen umgewandelt werden. Dafür nutzen die Forschenden Licht, das durch eine Glasfaser geleitet wird. Die Schwingungen der Struktur verändern den optischen Weg im Sensor. Diese Veränderungen werden anschließend in ein Signal umgewandelt, das den aufgezeichneten Schall darstellt.
Das Gerät reagiert auf Frequenzen bis hinunter zu 1 Hz, weit unterhalb der für Menschen hörbaren Töne. Es kann außerdem die Richtung der Luftbewegung bestimmen. Diese Eigenschaften ergeben sich aus seiner sehr flexiblen Struktur, die so konzipiert ist, dass sie sich leicht mit dem umgebenden Medium bewegt.
Die Forschenden testeten es unter anderem mit Herzschlägen. Diese Geräusche sind schwach und konzentrieren sich auf tiefe Frequenzen. Dennoch enthalten sie nützliche Informationen über die Funktion der Herzklappen und den Blutkreislauf. Der auf dem Brustkorb platzierte Sensor zeichnete diese Signale mit ausreichender Genauigkeit auf, um ihre wichtigsten Bestandteile zu unterscheiden.
Diese Methode unterscheidet sich von einem herkömmlichen elektronischen Stethoskop, dessen Sensor in der Regel auf einer Membran oder einer starreren mechanischen Struktur basiert. Hier soll der empfindliche Teil der Bewegung dagegen möglichst wenig Widerstand entgegensetzen. Die optische Auslesung vermeidet außerdem, direkt auf dieser leichten Struktur eine elektrische Schaltung anzubringen.
Das Gerät bleibt ein Laborprototyp, und die Studie weist seine Nutzung als alltägliches medizinisches Gerät noch nicht nach. Seine Empfindlichkeit muss insbesondere in einer realen Umgebung zuverlässig bleiben, in der Körperbewegungen, Stimmen und Außengeräusche die Messung stören können.
Die Forschenden erwägen dieses Prinzip nun für hochempfindliche akustische Sensoren, insbesondere zur Überwachung physiologischer Vorgänge. Die Struktur könnte auch für andere Messungen interessant sein, bei denen sehr schwache Luftbewegungen erkannt werden müssen, ohne den Teil, der sie erfasst, schwerer zu machen.