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¿Por qué necesitamos un sensor así?
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 acústica. Los elementos piezoeléctricos 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 resolución. Con su ayuda, puede obtener una imagen detallada del órgano 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 piezoeléctricos clásicos, el sensor no emite ondas acústicas. Solo capta la radiación proveniente de los objetos de estudio o del aire a su alrededor. Un disco de silicio con un diámetro 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 acústica golpea un disco, se produce resonancia y la señal 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 señalan que el nuevo sensor puede reconocer ondas ultrasónicas con un nivel de presión acústica de 50 μPa (aproximadamente 8 dB) a una frecuencia de 80 kHz a 1 MHz. Esto es dos órdenes de magnitud superior a otros sensores ultrasónicos. Según los ingenieros, el dispositivo puede captar vibraciones acústicas con una frecuencia más alta, sin embargo, durante los experimentos, tales ondas se amortiguaron demasiado rápido en el aire y no tuvieron tiempo de alcanzar el sensor.
El nuevo sensor le permitirá contactar a los organismos vivos más pequeños 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 tecnología, 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 está aislado de la presión acústica. Debido a esta característica, 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 BYEl segundo inconveniente es que la superficie del disco percibe de manera desigual la señal. En diferentes partes, la resonancia mecánica ocurre solo bajo la influencia de un rango de frecuencia estrecho. Si se desconoce la frecuencia del sonido que se va a "escuchar", es difícil detectarlo.
Dispositivos análogos
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.
Además, para aumentar la resolución, los sensores piezoeléctricos se colocan en agua: esta tecnología se utiliza en sistemas de medición basados en el efecto fotoacústico. Debido a la aparición de efectos no lineales, el medio líquido mejora las vibraciones sonoras que se forman en el dispositivo, lo que simplifica la detección de ondas.
Vale la pena señalar otro tipo de sensores: optomecánicos, que utilizan la luz para estudiar la forma de los objetos. La fuente láser y el resonador mecánico se combinan en una placa delgada que oscila con los cambios más pequeños en la señal de luz. Estas vibraciones son seguidas por un detector de fotos.
Los sensores de sensibilidad optomecánica son comparables a los ultrasónicos y pueden detectar moléculas individuales. Sin embargo, no pueden reconocer objetos que son más pequeños que la longitud de onda de la luz.
Los expertos señalan que en el futuro, los sensores ultrasónicos (y optomecánicos) sensibles encontrarán aplicación en hogares inteligentes, donde formarán parte de los sistemas de detección de fugas de gas.
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