Selama hampir lima ribu tahun, umat manusia telah mempelajari produk-produknya hanya dengan menggunakan indera: pandai besi mendengarkan suara baja Damaskus, para arsitek Piramida Agung dengan meraba-raba mengevaluasi kehalusan balok. Kami tidak tahu bagaimana menjelajahi objek buatan manusia tanpa membongkar atau menghancurkannya sampai abad ke-19, sampai sejarah teknologi Non-Destructive Inspection (NDI) dimulai.
Kisah pengujian non-destruktif dimulai, tentu saja, dengan kehancuran.
Pada 1854, sebuah ketel uap baru meledak di sebuah pabrik di Hartford (Connecticut). Ledakan itu menghancurkan bengkel dan merenggut 21 nyawa. Di era mesin uap, boiler sering meledak, meskipun mereka diproduksi dengan margin keamanan yang sangat besar. Insinyur hanya bisa secara samar-samar mencurigai keberadaan microcracks dan kelelahan logam. Ledakan di Hartford untuk pertama kalinya memaksa pihak berwenang untuk membentuk komisi reguler untuk memeriksa ketel uap. Saat itulah para insinyur di seluruh dunia berpikir tentang bagaimana masuk ke dalam apa yang tidak bisa dihilangkan dan dibongkar.
Revolusi ilmiah dan teknologi berikutnya pada pertengahan abad ke-20 melengkapi kita dengan gudang senjata penuh metode penelitian non-destruktif yang dirancang untuk mencegah dan mencegah berbagai masalah. Di antara teknik-teknik ini adalah x-ray, magnetic resonance imaging (MRI), radiasi elektromagnetik, computed tomography dan bahkan sinar kosmik. Banyak yang diketahui tentang penerapan teknologi-teknologi ini dalam kedokteran, keselamatan, dan manufaktur, jadi kami memutuskan untuk membicarakan tugas-tugas non-sepele yang NDI membantu kami dan kolega kami di bidang lain.
1. Bagaimana X-Ray Membantu Pencetakan 3D
Jika kita dapat "mencerahkan" objek apa pun, lalu mengapa tidak menangkap model tiga dimensi, dan kemudian tidak membuat salinannya? Insinyur di Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) telah menciptakan x-ray paling akurat yang dapat memberikan model 3D siap pakai dalam kualitas HD untuk pencetakan 3D - TX Lamino. Itu mendapat namanya dari laminografi - teknologi pemeriksaan X-ray lapis demi lapis objek, yang diletakkan di atas fondasinya.
TX Lamino "menyinari" objek dari sudut pandang berbeda, yang membantu untuk melihat detail atau cacat yang tidak dapat dideteksi dengan melihat gambar 2D. Mesin ini dilengkapi dengan generator sinar-x nanofokus, yaitu, ia dapat memfokuskan sinar pada titik optik dengan diameter kurang dari 1 μm, atau lebih tepatnya, dalam kasus TX Lamino, 0,25 μm. Ini memungkinkan Anda untuk menjelajahi objek yang sangat kecil secara detail. Kamera 4-megapiksel, yang menghasilkan gambar empat kali lebih tajam dari sinar-x konvensional dengan kamera 1-megapiksel, membantu nanofokus.
Perangkat TX Lamino. Dengan itu, Anda dapat membuat model 3D yang akurat dari barang apa pun. Sumber: Toshiba ITC
X-ray mengambil gambar berlapis dari subjek, dan kemudian menggabungkannya menjadi model 3D yang realistis, yang dapat dilihat pada monitor dalam resolusi 4K. Selain itu, jika perlu, salah satu lapisan foto dapat dipelajari secara terpisah dari yang lain dalam 2D. Misalnya, cangkang moluska dapat "didekomposisi" menjadi beberapa lapisan.
Sumber: Berita Toshiba dan Sorotan Saluran YouTube
Kemudian model dapat diubah menjadi objek nyata pada printer 3D, dan struktur internalnya akan benar-benar identik dengan aslinya, bahkan jika kita berbicara, katakanlah, tentang bagian motor dengan bagian yang bergerak. Misalnya, menggunakan TX Lamino, dimungkinkan untuk membuat salinan polimer dari bantalan bola dengan cincin berputar.
Cetak 3D bagian-bagian mesin yang dibuat menggunakan TX Lamino. Sumber: Toshiba
Dan hal yang sama. Sumber: Toshiba ITC
Dan kulit moluska yang sama. Sumber: Toshiba
Teknologi, yang memungkinkan kita untuk benar-benar melihat melalui objek apa pun, membantu kita di Toshiba mengatasi tugas-tugas yang kurang orisinal, khususnya dengan kontrol kualitas. Ambil contoh, mobil. Kerusakan pada komponen dan mekanisme penting menciptakan risiko bagi kehidupan dan kesehatan manusia. Dan jauh dari semua cacat yang kita lihat dengan mata telanjang. Sistem industri kami, menggabungkan sinar-X dan teknologi pencitraan canggih, mengidentifikasi masalah ini.
Sepintas, cakram logam apa pun tampak benar-benar padat. Pada kenyataannya, ini tidak benar. Bagian yang rusak dapat berisi segudang gelembung udara, yang seiring waktu akan menyebabkan kerusakan. Anda dapat melihat mereka hanya x-ray "di bawah todongan senjata".
Bagian mobil aluminium. Di sebelah kiri adalah gambar sinar-X yang menunjukkan kelompok rongga udara dan ukurannya, dibedakan berdasarkan warna. Di sebelah kanan adalah model 3D. Sumber: Toshiba
Namun, sementara pemindai 3D tidak mampu makhluk hidup - kerang laut atau ingot aluminium dapat bersinar melalui sebanyak yang Anda suka, dan organisme hidup, terutama yang tidak dapat dibuka tanpa putus sekali dan untuk semua, katakanlah, serangga, dari radiasi yang sering dan / atau intens memanjakan.
2. Bagaimana cara menyelamatkan nyawa lalat Drosophila
Serangga NDI memiliki hubungan yang kompleks. Hampir tidak mungkin untuk mendapatkan gambar tiga dimensi yang jelas dari seekor lalat: serangga terus bergerak, dan untuk gambar berkualitas tinggi, sisa pindaian yang lengkap diperlukan. Selain itu, invertebrata sulit mentolerir radiasi dalam dosis besar, dan untuk gambar 3D yang bagus, Anda memerlukan banyak gambar, jadi untuk serangga pemotretan seperti itu menjadi mematikan. Selain itu, bahkan jika model tersebut selamat dari pemotretan, radiasi akan memengaruhi pertumbuhan, reproduksi, dan harapan hidupnya secara negatif, yang mengganggu penelitian jangka panjang.
Rekan-rekan kami di University of Western Ontario di Kanada memecahkan masalah ini dengan karbon dioksida. Faktanya adalah serangga memiliki kemampuan untuk bertahan hidup selama kelaparan oksigen. Reaksi alami mereka terhadap kekurangan oksigen adalah mimpi di mana invertebrata tetap tidak bergerak selama beberapa waktu.
Dengan pemikiran ini, metode NDI seperti itu dikembangkan: fotomodel ditempatkan dengan nyaman di ruang berbentuk bulat kecil - di atas substrat polystyrene. Itu diinstal di bawah sumber x-ray. Kemudian CO2 dimasukkan ke dalam ruang serangga, yang membuat mereka tidur.
Pada saat ini, komputer tomograf (CT) mulai bekerja, mirip dengan yang digunakan untuk memindai orang. Kesulitan utama pada tahap ini adalah pengaturan CT. Para ilmuwan selalu membuat kompromi yang tak terhindarkan: semakin rendah dosis radiasi, semakin buruk kualitas gambar, dan sebaliknya. Para ilmuwan Kanada sampai pada kesimpulan bahwa untuk mendapatkan gambar 3D yang bagus dari serangga tidur, radiasi sudah cukup, yang 80 kali lebih lemah dari apa yang menyebabkan sterilisasi mereka. Ternyata, lalat dewasa, kumbang kentang Colorado, ulat cukup diatasi dengan tes stres 7 jam untuk hipoksia dan radiasi, dan kemudian dengan cepat tersadar.
Tomografi terkomputasi tiga dimensi (resolusi - 20 mikron) ngengat jantan. Di sebelah kiri adalah pemotretan pertama, di sebelah kanan - dalam empat hari. Dia hidup, meskipun lelah. Sumber: BioMed Central Ltd
Namun, perdamaian absolut tidak selalu menjamin keberhasilan NDI, terutama jika kita tidak tertarik pada struktur subjek studi, tetapi, misalnya, pada prasasti di dalamnya.
3. Cara membaca buku menggunakan NDI
Mungkin impian semua siswa akan segera menjadi kenyataan - untuk menerima informasi dari buku tertutup tanpa clairvoyance. Untuk ini, sekelompok ilmuwan dari MIT meminta bantuan kekuatan yang sangat nyata dari elektromagnetisme dan radiasi terahertz (rata-rata antara inframerah dan microwave). Gelombang Terahertz dikenal oleh para ahli keselamatan: bahan kimia yang berbeda menyerap frekuensi radiasi TG yang berbeda dengan cara yang berbeda.
Ketika sinar TG melewati tinta dan kertas kosong, penerima sentuh menerima jejak intensitas yang berbeda - ini adalah cara untuk membaca buku atau gulungan tanpa membuka gulungannya - ini sangat berguna ketika lembaran saling menempel dan / atau menjadi sangat rapuh, yang sering terjadi dengan edisi lama, dimana peneliti membutuhkan akses. Prosesnya diatur sebagai berikut: emitor TG menghasilkan pulsa radiasi ultrashort per buku, dan sensor kamera bawaan membaca pantulan mereka dari kantong udara kecil dengan lebar 20 mikron yang berada di antara halaman buku. Respons dari surat dan halaman kosong terlihat berbeda, memungkinkan Anda untuk membedakan antara prasasti.
Sumber: YouTube Channel MIT Media Lab
Tapi tidak sesederhana itu. Sebagian besar radiasi dipantulkan atau diserap oleh buku, dan partikel lain tidak memantul dari gelembung udara, tetapi dari halaman lain, menciptakan sinyal palsu. Untuk memisahkan sinyal palsu dari yang benar, Anda perlu mengetahui jarak dari penerima ke halaman buku tertentu. Sekarang sebuah algoritma yang dikembangkan oleh para ilmuwan secara teoritis dapat membedakan antara penulisan pada kedalaman hingga 20 halaman. Namun dalam praktiknya, pada kedalaman sembilan halaman, energi sinyal yang dipantulkan menjadi sangat kecil sehingga tidak mungkin lagi untuk membedakannya dari noise. Jadi untuk sekarang, kita bisa membaca koran daripada buku, meskipun penelitian sedang berlangsung. Selain itu, ada tantangan bagi NDI dari era preliterate history.
4. Apakah Neanderthal memainkan seruling?
Selain masalah medis, penemuan Wilhelm Roentgen membantu memecahkan masalah sejarah. Misalnya: bisakah Neanderthal memainkan seruling?
Para ilmuwan sedang memikirkan tulang beruang gua yang ditemukan di gua Divye Babe (Slovenia). Dua lubang dibuat di dalamnya, dan pada break point, garis besar dua lebih terlihat. Bersama-sama mereka membentuk barisan, seperti seruling. Temuan itu berusia 43 ribu tahun, sehingga beberapa ilmuwan percaya bahwa kami menemukan produk Neanderthal, sementara yang lain melihat di sisa-sisa tulang pesta hyena, yang taringnya dapat membuat lubang yang rapi.
Neanderthal Flute dari Divier Babier. Penulis lubang itu adalah Neanderthal atau gua hyena. Sumber: Sporti / Wikimedia Commons
Untuk memeriksa "seruling" dengan seksama, para ilmuwan menggunakan computed tomography (CT): sebuah x-ray menerangi tulang dari sudut yang berbeda, dan komputer menggabungkan gambar menjadi gambar tiga dimensi. Ternyata memang ada banyak jejak memakan hewan di tulang, tetapi tidak semua dapat dengan jelas dikaitkan dengan efek dari rahang. Kemudian, menggunakan gambar yang diperoleh, para ilmuwan merekonstruksi salinan "seruling".
Ternyata, Anda benar-benar dapat memainkannya: instrumen menghasilkan hingga 2,5 oktaf dalam urutan melodi pada skala 12-nada. “Neanderthal flute” berdasarkan legato, staccato, frullato, glissando dan metode kinerja lainnya.
Tidak begitu sulit untuk mencerahkan seruling kecil dengan sinar-X, tetapi ada lebih banyak monumen bersejarah. Lebih dari itu. Bagaimana dengan mereka?
5. Dari surga ke bumi: bagaimana sinar kosmik membantu membuat "sinar-X" piramida
Hampir semua teknologi kami yang melihat semua tetap "rabun jauh": "visi" dari radar, mesin x-ray, dan USG tidak meluas lebih jauh (lebih dalam) dari beberapa meter. Dan Anda membutuhkan lebih banyak! Dengan pemikiran seperti itu pada tahun 2016, sekelompok ilmuwan Jepang dari Universitas Nagoya memandang piramida Cheops dengan volume 2,5 juta meter kubik. Mereka memutuskan untuk memindai objek ini dengan sinar kosmik, yang dilahirkan oleh sumber energi tinggi, katakanlah, ledakan supernova. Melewati atmosfer Bumi, sinar kosmik berubah menjadi partikel sekunder - muon. Mereka memiliki kemampuan penetrasi yang sangat tinggi: untuk mengatasi bahkan 1 kilometer balok kapur bukanlah masalah bagi mereka.
Materi menyerap lebih banyak muon daripada batal. Untuk "menangkap" partikel, orang Jepang memasang perangkap khusus di dalam bilik piramida yang terkenal. Cetakan muon yang jelas menunjukkan rongga yang sebelumnya tidak diketahui di atas Great Gallery of the Cheops Pyramid. Ruang sepanjang 30 meter menyerupai bentuk galeri besar. Seperti yang disarankan ahli Mesir Kuno, sinar kosmik membantu menemukan ruang teknis - rongga mengurangi tekanan balok pada lengkungan Galeri Besar.
Ngomong-ngomong, teknologi yang sama sekarang digunakan oleh para ilmuwan Rusia di Derbent: mereka berusaha memahami apakah struktur salib, yang benar-benar tersembunyi di bawah tanah, adalah gereja Kristen tertua di Rusia atau hanya sebuah reservoir.
Sumber: Euronews
Apa yang akan terjadi selanjutnya?
Kami percaya bahwa dalam waktu dekat teknologi pengujian non-destruktif akan dikombinasikan dengan perkembangan maju lainnya:
- Big Data akan membantu kami mengumpulkan dan menafsirkan lebih banyak informasi daripada yang bisa diserap oleh ahli radiologi langsung;
- jaringan saraf akan membuat NDI lebih proaktif: kita dapat membangun sistem untuk pengujian massal produk, suku cadang, rakitan pada tahap produksi, yang tidak memerlukan penilaian manusia langsung;
- Hasil langsung dari operasi ini akan diterapkan secara otomatis menggunakan pencetakan 3D . Hasil analisis yang diproses akan berfungsi sebagai "makanan" untuk printer 3D, yang segera menghilangkan kekurangan atau meningkatkan produk dalam mode konveyor.