منذ ما يقرب من خمسة آلاف عام ، درست البشرية منتجاتها باستخدام الحواس فقط: فقد استمع الحدادين إلى صوت الصلب في دمشق ، وقام مهندسو الأهرامات العظمى بتقييم نعومة الكتل. لم نكن نعرف كيف نستكشف أشياء من صنع الإنسان دون تفكيكها أو تحطيمها حتى القرن التاسع عشر ، حتى بدأ تاريخ تقنيات التفتيش غير المدمر (NDI).
بدأت قصة الاختبارات غير المدمرة ، بالطبع ، مع التدمير.
في عام 1854 ، انفجر غلاية بخار جديدة تمامًا في مصنع في هارتفورد (كونيتيكت). دمر الانفجار الورشة وأدى إلى مقتل 21 شخصًا. في عصر المحركات البخارية ، غالبًا ما تنفجر الغلايات ، على الرغم من أنها كانت تنتج بهامش كبير من الأمان. يمكن للمهندسين أن يشكوا بشكل غامض في وجود شقوق صغيرة وإرهاق معدني. أجبر الانفجار الذي وقع في هارتفورد للمرة الأولى السلطات على تشكيل لجنة منتظمة لتفقد المراجل البخارية. عندها فكر المهندسون حول العالم في كيفية الوصول إلى ما لا يمكن إزالته وتفكيكه.
لقد زودتنا الثورة العلمية والتكنولوجية اللاحقة بحلول منتصف القرن العشرين بمجموعة كاملة من أساليب البحث غير المدمرة المصممة لمنع ومنع مجموعة متنوعة من المشاكل. ومن بين هذه التقنيات الأشعة السينية ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، والإشعاع الكهرومغناطيسي ، والتصوير المقطعي المحوسب وحتى الأشعة الكونية. يُعرف الكثير عن تطبيق هذه التقنيات في الطب والسلامة والتصنيع ، لذلك قررنا التحدث عن أكثر المهام غير التافهة التي يساعدنا المعهد الديمقراطي الوطني وزملائنا في مجالات أخرى.
1. كيف تساعد الأشعة السينية الطباعة ثلاثية الأبعاد
إذا استطعنا "تنوير" أي كائن ، فلماذا لا نلتقط نموذجه ثلاثي الأبعاد ، ومن ثم لا نقوم بعمل نسخة منه؟ ابتكر مهندسو شركة Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) أشعة إكس الأكثر دقة التي يمكنها تقديم نماذج ثلاثية الأبعاد جاهزة بجودة HD للطباعة ثلاثية الأبعاد - TX Lamino. حصلت على اسمها من laminography - تقنية فحص الأشعة السينية للأشياء ، والتي وضعت في الأساس.
TX Lamino "يضيء" كائنًا من زوايا مشاهدة مختلفة ، مما يساعد على رؤية التفاصيل أو العيوب التي لا يمكن اكتشافها من خلال عرض صورة ثنائية الأبعاد. تم تجهيز الجهاز بمولد أشعة سينية التركيز النانوي ، أي أنه يمكن تركيز الأشعة عند نقطة بصرية قطرها أقل من 1 ميكرون ، أو بالأحرى ، في حالة TX Lamino ، 0.25 ميكرون. يتيح لك هذا استكشاف أشياء صغيرة جدًا بالتفصيل. تساعد الكاميرا بدقة 4 ميجابكسل ، التي تنتج صورًا أكثر وضوحًا أربع مرات من الأشعة السينية التقليدية مع كاميرا بدقة 1 ميجابكسل ، على التركيز النانوي.
الجهاز TX Lamino. مع ذلك ، يمكنك إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد دقيق لأي عنصر. المصدر: توشيبا ITC
تلتقط الأشعة السينية صورًا متعددة الطبقات للموضوع ، ثم تجمعها في نموذج ثلاثي الأبعاد واقعي ، يمكن مشاهدته على الشاشة بدقة 4K. علاوة على ذلك ، إذا لزم الأمر ، يمكن دراسة أي من طبقات الصور بشكل منفصل عن الطبقات الأخرى ثنائية الأبعاد. على سبيل المثال ، يمكن "تحلل" قشرة من الرخويات إلى طبقات.
المصدر: أخبار توشيبا ويبرز قناة يوتيوب
بعد ذلك ، يمكن تحويل النموذج إلى كائن حقيقي على طابعة ثلاثية الأبعاد ، وسيكون هيكله الداخلي مطابقًا تمامًا للنسخة الأصلية ، حتى لو كنا نتحدث ، على سبيل المثال ، عن جزء المحرك مع الأجزاء المتحركة. على سبيل المثال ، باستخدام TX Lamino ، كان من الممكن إنشاء نسخة بوليمر من محمل كروي مع حلقة دوارة.
طباعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء المحرك باستخدام TX Lamino. المصدر: توشيبا
والتي تحمل نفس. المصدر: توشيبا ITC
وهذا قذيفة الرخوي نفسه. المصدر: توشيبا
تساعد هذه التقنية ، التي تسمح لنا برؤية أي كائن بشكل حرفي ، في Toshiba على التعامل مع المهام الأقل أهمية ، وخاصةً مع التحكم في الجودة. خذ على سبيل المثال السيارات. أي خلل في المكونات والآليات الهامة يخلق خطرًا على حياة الإنسان وصحته. وبعيدا عن كل العيوب التي نراها بالعين المجردة. تحدد أنظمتنا الصناعية ، التي تجمع بين الأشعة السينية وتقنيات التصوير المتقدمة ، هذه المشكلات.
للوهلة الأولى ، يبدو أي قرص معدني صلبًا تمامًا. في الواقع ، هذا ليس كذلك. قد يحتوي جزء معيب على عدد لا يحصى من فقاعات الهواء ، والتي سوف تؤدي مع الوقت إلى الكسر. يمكنك رؤيتهم فقط "تحت تهديد السلاح" الأشعة السينية.
جزء السيارة الألومنيوم. على اليسار توجد صورة للأشعة السينية تُظهر مجموعات من تجاويف الهواء وحجمها ، متباينة حسب اللون. على اليمين نموذج ثلاثي الأبعاد. المصدر: توشيبا
ومع ذلك ، في حين أن الماسح الضوئي ثلاثي الأبعاد غير قادر على الكائنات الحية - يمكن أن تتأرجح قذيفة البحر أو سبيكة الألومنيوم بقدر ما تريد ، والكائنات الحية ، وخاصة تلك الكائنات التي لا يمكن فتحها دون كسر مرة واحدة وإلى الأبد ، مثل الحشرات ، من الإشعاع المتكرر و / أو المكثف التدهور.
2. كيفية إنقاذ حياة ذبابة الفاكهة
الحشرات NDI لها علاقة معقدة. يكاد يكون من المستحيل الحصول على صورة واضحة ثلاثية الأبعاد للذباب: الحشرة تتحرك باستمرار ، ولصورة عالية الجودة ، هناك حاجة لبقية كاملة من الممسوحة ضوئيًا. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن أن تتحمل اللافقاريات جرعات كبيرة من الإشعاع ، ولصورة ثلاثية الأبعاد جيدة ، فإنك تحتاج إلى الكثير من الصور ، لذلك للحشرات تصبح هذه الصورة القاتلة. علاوة على ذلك ، حتى لو نجا نموذج التصوير من التصوير ، فإن الإشعاع سيؤثر سلبًا على نموه وتكاثره ومتوسط العمر المتوقع ، مما يتعارض مع الأبحاث طويلة الأجل.
قام زملاؤنا في جامعة أونتاريو الغربية في كندا بحل هذه المشكلة مع ثاني أكسيد الكربون. والحقيقة هي أن الحشرات لديها القدرة على البقاء على قيد الحياة أثناء الجوع الأكسجين. رد فعلهم الطبيعي على نقص الأكسجين هو حلم تظل اللافقاريات فيه بلا حراك لبعض الوقت.
مع وضع ذلك في الاعتبار ، تم تطوير طريقة NDI: يتم وضع النماذج الضوئية بشكل ملائم في غرفة صغيرة مستديرة الشكل - على قاعدة من البوليسترين. يتم تثبيته تحت مصدر الأشعة السينية. ثم يتم تغذية ثاني أكسيد الكربون في حشرة الحشرات ، مما يضعها في حالة نوم.
في هذه اللحظة ، يبدأ التصوير المقطعي بالكمبيوتر (CT) في العمل ، على غرار تلك المستخدمة لمسح الأشخاص. كانت الصعوبة الرئيسية في هذه المرحلة هي إعدادات التصوير المقطعي. يصنع العلماء دائمًا التسوية الحتمية: كلما انخفضت جرعة الإشعاع ، زادت جودة الصورة ، والعكس صحيح. توصل علماء كنديون إلى استنتاج مفاده أن الحصول على صور ثلاثية الأبعاد جيدة للحشرات النائمة ، يكفي الإشعاع ، وهو أضعف بنسبة 80 مرة مما يؤدي إلى التعقيم. كما اتضح فيما بعد ، الذباب البالغ ، خنافس كولورادو ، اليرقات تعاملت مع اختبار الإجهاد لمدة 7 ساعات لنقص الأكسجة والإشعاع ، ثم جاءت بسرعة إلى رشدهم.
التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد (الدقة - 20 ميكرون) لعثة ذكر. على اليسار هو أول صورة تلتقطها الصورة ، على اليمين - في أربعة أيام. إنه حي ، رغم أنه متعب. المصدر: BioMed Central Ltd
ومع ذلك ، فإن السلام المطلق لا يضمن دائمًا نجاح المعهد الوطني الديمقراطي ، خاصةً إذا كنا غير مهتمين بهيكل موضوع الدراسة ، ولكن على سبيل المثال ، في الكتابة فيه.
3. كيفية قراءة الكتب باستخدام NDI
ربما يتحقق حلم جميع الطلاب قريبًا - لتلقي المعلومات من كتاب مغلق دون استبصار. لهذا السبب ، طالبت مجموعة من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بمساعدة القوى الحقيقية للغاية من الكهرومغناطيسية وإشعاع تيراهيرتز (المتوسط بين الأشعة تحت الحمراء والميكروويف). إن موجات تيراهيرتز معروفة جيدًا لخبراء السلامة: المواد الكيميائية المختلفة تمتص ترددات مختلفة من إشعاع TG بطرق مختلفة.
عندما تمر أشعة TG عبر الحبر والورق الفارغ ، يتلقى جهاز الاستقبال باللمس بصمة مختلفة من الشدة - هذه هي الطريقة لقراءة الكتب أو المخطوطات دون إزالتها - إنها مفيدة للغاية عندما تلتصق الأوراق معاً و / أو تصبح هشة للغاية ، وهو ما يحدث غالبًا مع الكتب القديمة ، التي يحتاج الباحثون الوصول إليها. يتم تنظيم العملية على النحو التالي: يقوم باعث TG بإنشاء نبضات الإشعاع الفائق لكل كتاب ، ويقرأ مستشعر الكاميرا المدمج انعكاسه من جيوب هوائية صغيرة بعرض 20 ميكرون بين صفحات الكتاب. تبدو الاستجابة من الحروف والصفحات الفارغة مختلفة ، مما يسمح لك بالتمييز بين النقش.
المصدر: مختبر الوسائط التابع لقناة YouTube
لكن ليس بهذه البساطة. ينعكس الكتاب أو يمتص معظم الإشعاع ، ولا ترتد الجزيئات الأخرى من فقاعات الهواء ، ولكن من الصفحات الأخرى ، مما يخلق إشارة خاطئة. لفصل الإشارات الخاطئة عن الإشارات الحقيقية ، تحتاج إلى معرفة المسافة من جهاز الاستقبال إلى صفحة معينة من الكتاب. الآن يمكن للخوارزمية التي طورها العلماء التمييز نظريًا بين الكتابة على عمق يصل إلى 20 صفحة. لكن في الممارسة العملية ، على عمق تسع صفحات ، تصبح طاقة الإشارة المنعكسة صغيرة للغاية بحيث لم يعد من الممكن تمييزها عن الضوضاء. حتى الآن ، يمكننا قراءة الصحف بدلاً من الكتب ، على الرغم من أن البحث مستمر. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تحديات أمام NDI من عصر التاريخ المختلط.
4. هل لعب النياندرتال الفلوت؟
بالإضافة إلى المشكلات الطبية ، يساعد اختراع Wilhelm Roentgen على حل المشكلات التاريخية. على سبيل المثال: هل يمكن للإنسان البدائي العزف على الفلوت؟
كان العلماء يفكرون في عظمة دب الكهف الموجود في كهف Divye Babe (سلوفينيا). تم إجراء فتحتين فيه ، وعند نقاط الاستراحة ، تكون الخطوط العريضة لاثنين آخرين مرئية. معا تشكل الصف ، مثل الفلوت. يبلغ الاكتشاف 43 عامًا ، لذا يعتقد بعض العلماء أننا وجدنا منتجًا من البشر البدائيون ، بينما يرى آخرون في قصاصات العظام في عيد الضباع ، الذي يمكن أن يصنع أنيابه ثقوبًا أنيقة.
الفلوت البدائي من ديفير بابير. مؤلف الثقوب هو إما الإنسان البدائي أو الضبع كهف. المصدر: Sporti / ويكيميديا كومنز
لدراسة "الناي" بدقة ، استخدم العلماء التصوير المقطعي (CT): أشعة سينية تضيء العظم من زوايا مختلفة ، وجمع الكمبيوتر الصور في صورة ثلاثية الأبعاد. اتضح أن هناك بالفعل الكثير من آثار أكل الحيوانات على العظام ، ولكن ليس كل ما يمكن أن يعزى بوضوح إلى آثار الفكين. ثم ، باستخدام الصور التي تم الحصول عليها ، أعاد العلماء بناء نسخة من "الفلوت".
كما اتضح فيما بعد ، يمكنك حقًا تشغيله: تنتج الآلة ما يصل إلى 2.5 أوكتاف في سلسلة من الألحان بمقياس 12 نغمة. "الناي البدائي" تحت سلطة legato ، staccato ، fullato ، glissando وغيرها من أساليب الأداء.
ليس من الصعب للغاية تنوير الناي الصغير بالأشعة السينية ، ولكن هناك المزيد من الآثار التاريخية. أكثر من ذلك بكثير. كيف تكون معهم؟
5. من السماء إلى الأرض: كيف ساعدت الأشعة الكونية في صنع "أشعة إكس" للهرم
تظل جميع تقنيات الرؤية الشاملة تقريبًا "قصيرة النظر": "الرؤية" للرادارات وأجهزة الأشعة السينية والموجات فوق الصوتية لا تمتد أكثر (أعمق) من بضعة أمتار. وتحتاج أكثر! مع مثل هذه الأفكار في عام 2016 ، نظرت مجموعة من العلماء اليابانيين من جامعة ناغويا إلى هرم خوفو بحجم 2.5 مليون متر مكعب. قرروا مسح هذا الكائن بالأشعة الكونية ، التي تولدها مصادر الطاقات العالية ، على سبيل المثال ، انفجارات المستعرات العظمى. عبر الغلاف الجوي للأرض ، تتحول الأشعة الكونية إلى جسيمات ثانوية - ميوونات. لديهم قدرة اختراق عالية للغاية: التغلب على مسافة كيلومتر واحد من كتل الحجر الجيري لا يمثل مشكلة بالنسبة لهم.
المسألة تمتص كمية أكبر من الميونات من الفراغ. "لصيد" الجسيمات ، وضع اليابانيون مصائد خاصة داخل غرف الهرم الشهيرة. أشارت مطبوعات الميون النابضة إلى تجويف غير معروف سابقًا فوق المعرض الكبير لهرم خوفو. تشبه المساحة التي يبلغ طولها 30 مترًا شكل معرض كبير. كما اقترح علماء المصريات ، ساعدت الأشعة الكونية في العثور على الغرفة الفنية - حيث يقلل التجويف من ضغط الكتل على أقواس المعرض الكبير.
بالمناسبة ، يستخدم العلماء الروس في ديربنت نفس التكنولوجيا: فهم يحاولون فهم ما إذا كان الهيكل الصليبي ، الخفي تمامًا تحت الأرض ، هو أقدم كنيسة مسيحية في روسيا أو مجرد خزان.
المصدر: يورونيوز
ماذا سيحدث بعد ذلك؟
نعتقد أنه في المستقبل القريب سيتم دمج تقنيات الاختبار غير المدمرة مع التطورات المتقدمة الأخرى:
- ستساعدنا البيانات الضخمة على جمع وتفسير معلومات أكثر بكثير مما يمكن أن يستوعبه اختصاصي الأشعة ؛
- ستجعل الشبكات العصبية NDI أكثر نشاطًا: يمكننا بناء نظام للاختبار الشامل للمنتجات والأجزاء والتجمعات في مرحلة الإنتاج ، والتي لا تتطلب إجراء تقييم بشري مباشر ؛
- سيتم تنفيذ النتيجة المباشرة لهذه العمليات تلقائيًا باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد . ستكون نتائج التحليل المعالج بمثابة "طعام" للطابعات ثلاثية الأبعاد ، والتي تقضي على الفور على أوجه القصور أو تحسن المنتج في وضع الناقل.