Metamaterial macht Roboter-Ohren empfindlicher

Ein chinesisches Forschungsteam hat einen akustischen Sensor entwickelt, der Signale verstärkt und die Richtung des Geräusches ortet – mit Meta-Materialien.

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Akustischer Sensor

Der neuartige Sensor, der menschliche Stimmen auch bei Lärm filtern und orten kann.

(Bild: SJTU-Forscher Huyue Chen, Kejing Ma, Lei Shao und Wenming Zhang)

Von
  • Wolfgang Stieler

Metamaterialien haben teils verblüffende physikalische Eigenschaften. Wellen aller Art lassen sich mit diesen Materialien gezielt lokal lenken, stoppen oder konzentrieren. Das Forschungsfeld hat sich in den vergangen Jahren von eher theoretischen Fragestellungen hin zu ersten echten Anwendungen entwickelt: Optische Metamaterialien beispielsweise ermöglichen extrem dünne, leichte Linsen, mit akustischen Metamaterialien lassen sich transparente Schallschutzwände aus Glas für Autobahnen realisieren.

Kejing Ma von der Shanghai Jiao Tong University und Kollegen ging es in ihrer jetzt veröffentlichten Arbeit allerdings nicht darum, Schallwellen zu dämpfen oder zu blockieren, sondern um das Gegenteil – sie zu konzentrieren und zu verstärken, und das auch noch stark richtungsabhängig. Damit bauten sie einen neuartigen Sensor, der menschliche Stimmen auch bei Lärm filtern und orten kann – und das rein mechanisch, ohne elektronische Hilfe.

Metamaterialien bestehen, vereinfacht gesagt, aus elementaren Bausteinen – so genannten Einheitszellen – aus nahezu beliebigen Ausgangsstoffen. Die fantastischen Eigenschaften der Metamaterialien entstehen dadurch, dass aus diesen Zellen ein Quasi-Atomgitter aufgebaut wird, dessen Bestandteile kleiner sind als die Wellenlänge der einfallenden Welle, die durch das Metamaterial manipuliert werden soll.

Das akustische Metamaterial, das die chinesischen Forschenden entwickelt haben, besteht aus einem Aluminium-Plättchen, auf dem ein Gitter aus Silikon-Kugeln angebracht ist. In der Mitte des Plättchens ist ein kreisförmiger Freiraum, in dem ein flacher piezoelektrischer Sensor liegt. Die Kügelchen sorgen dafür, dass Schwingungen im Frequenzbereich menschlicher Stimmen in diesem kreisförmigen Bereich "gefangen" werden, um so den mechanischen Druck auf den Piezo-Sensor zu verstärken.

Der komplette Sensor, den Ma und Kollegen "Metasphere Beamforming Acoustic Sensor" (MBA) nennen, besteht aus einem Dodekaeder, einem Körper mit zwölf regelmäßigen Fünfeck-Flächen mit der Metastruktur. Da die Verstärkung durch die Metaoberfläche am besten funktioniert, wenn die einfallenden Schallwellen senkrecht auf die Metafläche treffen, kann der Sensor auch die Richtung der Geräuschquelle orten.

Ma et al. platzierten das Gerät zunächst in einem Konferenzraum, in dem sich zwei Personen gegenüber saßen und die gleichen Wörter wiederholten. Anhand der Ausgangssignale waren die beiden Personen klar zu identifizieren. Dann testete das Team die Aufnahmequalität der Technologie, indem es Shakespeares Sonett 18 und Beethovens "Für Elise" damit aufnahm. Schließlich testeten die Autoren die Stimmerkennungsfähigkeiten des MBA während einer simulierten Rettungsaktion: Sie setzten das MBA in einer Fabrikumgebung mit starken Kompressorgeräuschen, Maschinenalarmen und einer sich bewegenden Person ein, die um Hilfe schrie. Auch hier konnte das System die Stimme vom den Hintergrundgeräuschen isolieren und die Person lokalisieren.

(wst)