El nuevo sensor ultrasónico le permite "escuchar" las bacterias: cómo funciona

Ingenieros de la Universidad de Queensland en Australia han desarrollado un nuevo tipo de sensor ultrasónico, cuya sensibilidad es significativamente superior a los análogos. El sensor se llamaba ultrasónico. Es capaz de capturar las vibraciones de células y bacterias individuales en el cuerpo humano y evaluar si funcionan normalmente.

Te contamos cómo está organizado.


Foto Saroj Regmi / CC BY

¬ŅPor qu√© necesitamos un sensor as√≠?


La ecografía se usa activamente en el diagnóstico de enfermedades, por ejemplo, para la ecografía. En un dispositivo ultrasónico clásico, el emisor y el receptor están hechos de cristales piezoeléctricos. Cuando se les aplica una carga eléctrica alterna, se producen vibraciones mecánicas. Las oscilaciones crean ondas de sonido de alta frecuencia que están fuera del oído humano.

Estas ondas se reflejan desde superficies con alta impedancia ac√ļstica. Los elementos piezoel√©ctricos registran estos reflejos y permiten formar una imagen de un objeto en la pantalla del monitor. Sin embargo, tales sistemas tienen un inconveniente importante: baja resoluci√≥n. Con su ayuda, puede obtener una imagen detallada del √≥rgano interno, pero no puede registrar una sola celda.

Investigadores de la Universidad de Queensland en Australia se comprometieron a resolver este problema. Desarrollaron un sensor de alta sensibilidad que puede detectar el movimiento de las células e incluso las moléculas de aire.

Como funciona la invención


A diferencia de los elementos piezoel√©ctricos cl√°sicos, el sensor no emite ondas ac√ļsticas. Solo capta la radiaci√≥n proveniente de los objetos de estudio o del aire a su alrededor. Un disco de silicio con un di√°metro de 148 micras y un grosor de 1,8 micras es responsable de registrar las ondas. En forma, se asemeja a una rueda de bicicleta de cuatro radios. Cuando una onda ac√ļstica golpea un disco, se produce resonancia y la se√Īal se amplifica.

En el centro del disco de silicio hay un soporte delgado que lo conecta a la cámara del resonador óptico. Una onda de luz estacionaria pasa a través de esta cámara. Responde a las vibraciones del disco bajo la influencia del sonido y cambia su forma. Estos cambios son registrados por el fotodetector, que también se encuentra en la cavidad óptica. La información recibida por el sensor le permite determinar la forma del objeto investigado.

Ventajas y desventajas.


Los desarrolladores se√Īalan que el nuevo sensor puede reconocer ondas ultras√≥nicas con un nivel de presi√≥n ac√ļstica de 50 őľPa (aproximadamente 8 dB) a una frecuencia de 80 kHz a 1 MHz. Esto es dos √≥rdenes de magnitud superior a otros sensores ultras√≥nicos. Seg√ļn los ingenieros, el dispositivo puede captar vibraciones ac√ļsticas con una frecuencia m√°s alta, sin embargo, durante los experimentos, tales ondas se amortiguaron demasiado r√°pido en el aire y no tuvieron tiempo de alcanzar el sensor.

El nuevo sensor le permitir√° contactar a los organismos vivos m√°s peque√Īos sin contacto. Por lo general, las bacterias o los virus se eliminan del entorno para su examen y se colocan bajo un microscopio, lo que puede conducir a cambios en su comportamiento. Con la ayuda de la nueva tecnolog√≠a, los unicelulares pueden estudiarse justo donde viven, por ejemplo, en el aire o el suelo.

El sensor tiene varias desventajas. El primero es que el soporte del disco en el dispositivo no est√° aislado de la presi√≥n ac√ļstica. Debido a esta caracter√≠stica, el sensor capta frecuencias por encima de 800 KHz peor: en el espacio debajo del disco hay una resonancia adicional, que aumenta el nivel de ruido. Para algunas frecuencias, puede alcanzar el 50%.


Foto Lee Maguire / CC BY

El segundo inconveniente es que la superficie del disco percibe de manera desigual la se√Īal. En diferentes partes, la resonancia mec√°nica ocurre solo bajo la influencia de un rango de frecuencia estrecho. Si se desconoce la frecuencia del sonido que se va a "escuchar", es dif√≠cil detectarlo.

Dispositivos an√°logos


El primer análogo del sensor es el sensor piezoeléctrico, del que hablamos al principio. Obviamente, el principal inconveniente de los sensores piezoeléctricos es su baja sensibilidad. Pero para resolver este problema ya hay varias tecnologías. Por ejemplo, la superficie metálica de los sensores se reemplaza con nanofibras que son más susceptibles a las vibraciones.

Adem√°s, para aumentar la resoluci√≥n, los sensores piezoel√©ctricos se colocan en agua: esta tecnolog√≠a se utiliza en sistemas de medici√≥n basados ‚Äč‚Äčen el efecto fotoac√ļstico. Debido a la aparici√≥n de efectos no lineales, el medio l√≠quido mejora las vibraciones sonoras que se forman en el dispositivo, lo que simplifica la detecci√≥n de ondas.

Vale la pena se√Īalar otro tipo de sensores: optomec√°nicos, que utilizan la luz para estudiar la forma de los objetos. La fuente l√°ser y el resonador mec√°nico se combinan en una placa delgada que oscila con los cambios m√°s peque√Īos en la se√Īal de luz. Estas vibraciones son seguidas por un detector de fotos.

Los sensores de sensibilidad optomec√°nica son comparables a los ultras√≥nicos y pueden detectar mol√©culas individuales. Sin embargo, no pueden reconocer objetos que son m√°s peque√Īos que la longitud de onda de la luz.

Los expertos se√Īalan que en el futuro, los sensores ultras√≥nicos (y optomec√°nicos) sensibles encontrar√°n aplicaci√≥n en hogares inteligentes, donde formar√°n parte de los sistemas de detecci√≥n de fugas de gas.



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Source: https://habr.com/ru/post/443092/


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