Engenheiros da Universidade de Queensland, na Austrália, desenvolveram um novo tipo de sensor ultrassônico, cuja sensibilidade é significativamente superior aos análogos. O sensor foi chamado de ultra-ultrassônico. Ele é capaz de capturar as vibrações de células e bactérias individuais no corpo humano e avaliar se elas funcionam normalmente.
Dizemos como é organizado.
Foto Saroj Regmi / CC BYPor que precisamos desse sensor
O ultrassom é usado ativamente no diagnóstico de doenças, por exemplo, no ultrassom. Em um dispositivo ultrassônico clássico, o emissor e o receptor são feitos de cristais piezoelétricos. Quando uma carga elétrica alternada é aplicada a eles, vibrações mecânicas ocorrem. As oscilações criam ondas sonoras de alta frequência que estão fora da audição humana.
Essas ondas são refletidas em superfícies com alta impedância acústica. Os elementos piezoelétricos registram essas reflexões e possibilitam formar uma imagem de um objeto na tela do monitor. No entanto, esses sistemas têm uma desvantagem importante - baixa resolução. Com a ajuda deles, você pode obter uma imagem detalhada do órgão interno, mas não pode registrar uma única célula.
Pesquisadores da Universidade de Queensland, na Austrália, se comprometeram a resolver esse problema. Eles desenvolveram um sensor de alta sensibilidade que pode detectar o movimento de células e até moléculas de ar.
Como a invenção funciona
Ao contrário dos elementos piezoelétricos clássicos, o sensor não emite ondas acústicas. Ele apenas capta a radiação proveniente de objetos de estudo ou o ar ao redor deles. Um disco de silício com um diâmetro de 148 mícrons e uma espessura de 1,8 mícrons é responsável pelo registro das ondas. Em forma, assemelha-se a uma roda de bicicleta de quatro raios. Quando uma onda acústica atinge um disco, ocorre ressonância e o sinal é amplificado.
No centro do disco de silicone, há um suporte fino conectando-o à câmera do ressonador óptico. Uma onda de luz permanente passa por esta câmera. Ele responde às vibrações do disco sob a influência do som e muda de forma. Essas alterações são registradas pelo fotodetector, que também está localizado na cavidade óptica. As informações recebidas pelo sensor permitem determinar a forma do objeto investigado.
Vantagens e desvantagens
Os desenvolvedores observam que o novo sensor é capaz de reconhecer ondas ultrassônicas com um nível de pressão acústica de 50 μPa (aproximadamente 8 dB) a uma frequência de 80 kHz a 1 MHz. São duas ordens de magnitude superiores a outros sensores ultrassônicos. Segundo os engenheiros, o dispositivo é capaz de captar vibrações acústicas com uma frequência mais alta, no entanto, durante os experimentos, essas ondas amorteciam muito rapidamente no ar e não tinham tempo para alcançar o sensor.
O novo sensor permitirá que você entre em contato com os menores organismos vivos sem contato. Normalmente, bactérias ou vírus são removidos do ambiente para exame e colocados sob um microscópio, o que pode levar a mudanças no seu comportamento. Com a ajuda de novas tecnologias, o unicelular pode ser estudado exatamente onde eles moram, por exemplo, no ar ou no solo.
O sensor tem várias desvantagens. A primeira é que o suporte do disco no dispositivo não está isolado da pressão acústica. Devido a esse recurso, o sensor capta freqüências acima de 800 KHz: no espaço sob o disco há uma ressonância adicional, que aumenta o nível de ruído. Para algumas frequências, pode chegar a 50%.
Foto Lee Maguire / CC BYA segunda desvantagem é que a superfície do disco recebe desigualmente o sinal. Em diferentes partes, a ressonância mecânica ocorre apenas sob a influência de uma faixa de frequência estreita. Se a frequência do som a ser "ouvido" for desconhecida, é difícil detectá-lo.
Análogos de dispositivos
O primeiro analógico do sensor é o sensor piezoelétrico, sobre o qual falamos no início. Obviamente, a principal desvantagem dos sensores piezoelétricos é sua baixa sensibilidade. Mas para resolver este problema já existem várias tecnologias. Por exemplo, a superfície metálica dos sensores é substituída por nanofibras que são mais suscetíveis a vibrações.
Além disso, para aumentar a resolução, sensores piezoelétricos são colocados na água: essa tecnologia é usada em sistemas de medição baseados no efeito fotoacústico. Devido à ocorrência de efeitos não lineares, o meio líquido melhora as vibrações sonoras formadas no dispositivo, o que simplifica a detecção de ondas.
Vale a pena notar outro tipo de sensor - optomecânico, que usa a luz para estudar a forma dos objetos. A fonte do laser e o ressonador mecânico são combinados em uma placa fina, oscilando com as menores alterações no sinal de luz. Essas vibrações são rastreadas por um detector de foto.
Os sensores de sensibilidade optomecânica são comparáveis aos ultrassônicos e são capazes de detectar moléculas individuais. No entanto, eles não podem reconhecer objetos menores que o comprimento de onda da luz.
Especialistas observam que, no futuro, sensores ultrassônicos sensíveis (e optomecânicos) encontrarão aplicação em residências inteligentes, onde farão parte dos sistemas de detecção de vazamento de gás.
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