Por quase cinco mil anos, a humanidade estudou seus produtos usando apenas os sentidos: os ferreiros ouviram o som do aço de Damasco, os arquitetos das Grandes Pirâmides avaliaram taticamente a suavidade dos blocos. Não sabíamos como explorar objetos feitos pelo homem sem desmontá-los ou quebrá-los até o século XIX, até o início da história das tecnologias de Inspeção Não Destrutiva (NDI).
A história dos testes não destrutivos começou, é claro, com a destruição.
Em 1854, uma nova caldeira a vapor explodiu em uma fábrica em Hartford (Connecticut). A explosão destruiu a oficina e matou 21 pessoas. Na era dos motores a vapor, as caldeiras frequentemente estouram, embora tenham sido produzidas com uma enorme margem de segurança. Os engenheiros só podiam suspeitar vagamente da existência de microfissuras e fadiga de metais. A explosão em Hartford obrigou as autoridades a estabelecer uma comissão regular para inspecionar caldeiras a vapor. Foi então que os engenheiros de todo o mundo pensaram em como entrar no que não pode ser removido e desmontado.
A subsequente revolução científica e tecnológica de meados do século XX nos equipou com todo um arsenal de métodos de pesquisa não destrutivos, projetados para prevenir e prevenir uma variedade de problemas. Entre essas técnicas estão raios-X, ressonância magnética (IRM), radiação eletromagnética, tomografia computadorizada e até raios cósmicos. Muito se sabe sobre a aplicação dessas tecnologias na medicina, segurança e fabricação, por isso decidimos conversar sobre as tarefas não triviais que o NDI ajuda a nós e nossos colegas em outras áreas.
1. Como o raio X ajuda a impressão 3D
Se podemos "esclarecer" qualquer objeto, por que não capturar seu modelo tridimensional e depois não fazer uma cópia dele? Os engenheiros da Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) criaram o raio-x mais preciso que pode oferecer modelos 3D prontos com qualidade HD para impressão 3D - o TX Lamino. Ele recebeu esse nome de laminografia - a tecnologia de exame de raios X camada a camada de objetos, que é lançada em sua base.
O TX Lamino “brilha” através de um objeto de diferentes ângulos de visão, o que ajuda a ver detalhes ou defeitos que não podem ser detectados pela visualização de uma imagem 2D. A máquina está equipada com um gerador de raios-x nanofoco, ou seja, pode focalizar os raios em um ponto óptico com diâmetro inferior a 1 μm, ou melhor, no caso de TX Lamino, 0,25 μm. Isso permite que você explore objetos muito pequenos em detalhes. A câmera de 4 megapixels, que produz imagens quatro vezes mais nítidas do que os raios X convencionais com uma câmera de 1 megapixel, ajuda a nanofoco.
O dispositivo TX Lamino. Com ele, você pode criar um modelo 3D preciso de qualquer item. Fonte: Toshiba ITC
O raio X captura imagens em camadas do objeto e as combina em um modelo 3D realista, que pode ser visualizado no monitor em resolução 4K. Além disso, se necessário, qualquer uma das camadas da foto pode ser estudada separadamente das outras em 2D. Por exemplo, uma concha de um molusco pode ser "decomposta" em camadas.
Fonte: Canal do YouTube sobre notícias e destaques da Toshiba
Em seguida, o modelo pode ser transformado em um objeto real em uma impressora 3D e sua estrutura interna será absolutamente idêntica à original, mesmo se estivermos falando, digamos, sobre uma peça de motor com peças móveis. Por exemplo, usando TX Lamino, foi possível criar uma cópia de polímero de um rolamento de esferas com um anel rotativo.
Impressão 3D de peças de motor feitas com TX Lamino. Fonte: Toshiba
E esse mesmo rumo. Fonte: Toshiba ITC
E aquela mesma concha de molusco. Fonte: Toshiba
A tecnologia, que nos permite ver literalmente qualquer objeto, nos ajuda na Toshiba a lidar com tarefas menos originais, em particular com o controle de qualidade. Tome, por exemplo, carros. Qualquer defeito em componentes e mecanismos importantes cria um risco para a vida e a saúde humanas. E longe de todos os defeitos que vemos a olho nu. Nossos sistemas industriais, combinando raios-X e tecnologias avançadas de imagem, identificam esses problemas.
À primeira vista, qualquer disco de metal parece completamente sólido. Na realidade, não é assim. Uma peça defeituosa pode conter uma infinidade de bolhas de ar, que com o tempo levarão à quebra. Você pode vê-los apenas "sob a mira da arma" raios-x.
Peça de automóvel em alumínio. À esquerda, há uma imagem de raios-X que mostra grupos de cavidades de ar e seu tamanho, diferenciados por cor. À direita está um modelo 3D. Fonte: Toshiba
No entanto, enquanto o scanner 3D não é capaz de criaturas vivas - uma concha do mar ou um lingote de alumínio pode brilhar o quanto você quiser e organismos vivos, especialmente aqueles que não podem ser abertos sem quebrar de uma vez por todas, digamos, insetos, por radiação frequente e / ou intensa estragar.
2. Como salvar a vida de uma mosca Drosophila
Os insetos NDI têm um relacionamento complexo. É quase impossível obter uma imagem tridimensional clara de uma mosca: o inseto está em constante movimento e, para uma imagem de alta qualidade, é necessário o restante completo do escaneamento. Além disso, os invertebrados dificilmente toleram grandes doses de radiação e, para uma boa imagem 3D, você precisa de muitas fotos; portanto, para insetos, uma sessão de fotos se torna mortal. Além disso, mesmo que o modelo fotográfico sobreviva ao disparo, a radiação afetará negativamente seu crescimento, reprodução e expectativa de vida, o que interfere nas pesquisas de longo prazo.
Nossos colegas da Universidade de Western Ontario, no Canadá, resolveram esse problema com dióxido de carbono. O fato é que os insetos têm a capacidade de sobreviver durante a falta de oxigênio. Sua reação natural à falta de oxigênio é um sonho durante o qual o invertebrado permanece imóvel por algum tempo.
Com isso em mente, foi desenvolvido um método NDI: os fotomodelos são convenientemente colocados em uma pequena câmara redonda - em um substrato de poliestireno. É instalado sob a fonte de raios-x. Em seguida, o CO2 é alimentado na câmara de insetos, que os coloca em um estado de sono.
Nesse momento, um tomógrafo computadorizado (TC) começa a funcionar, semelhante aos usados para escanear pessoas. A principal dificuldade nesta fase foi a configuração do TC. Os cientistas sempre assumem o compromisso inevitável: quanto menor a dose de radiação, pior a qualidade da imagem e vice-versa. Cientistas canadenses chegaram à conclusão de que, para obter boas imagens em 3D de insetos adormecidos, a radiação é suficiente, 80 vezes mais fraca do que o que leva à esterilização. Como se viu, moscas adultas, besouros de batata do Colorado, lagartas enfrentaram um teste de estresse de 7 horas para hipóxia e radiação, e logo recuperaram a razão.
Tomografia computadorizada tridimensional (resolução - 20 mícrons) de uma mariposa macho. À esquerda está a primeira sessão de fotos, à direita - em quatro dias. Ele está vivo, embora cansado. Fonte: BioMed Central Ltd
No entanto, a paz absoluta nem sempre garante o sucesso do NDI, especialmente se não estamos interessados na estrutura do objeto de estudo, mas, por exemplo, na inscrição nele.
3. Como ler livros usando o NDI
Talvez o sonho de todos os alunos em breve se torne realidade - receber informações de um livro fechado sem clarividência. Para isso, um grupo de cientistas do MIT pediu ajuda às forças reais do eletromagnetismo e radiação terahertz (a média entre o infravermelho e o microondas). As ondas Terahertz são bem conhecidas pelos especialistas em segurança: diferentes produtos químicos absorvem diferentes frequências de radiação TG de diferentes maneiras.
Quando os raios TG passam pela tinta e papel em branco, o receptor de toque recebe uma impressão diferente de intensidade - é o modo de ler livros ou pergaminhos sem desenrolá-los - é muito útil quando as folhas ficam grudadas e / ou se tornam muito frágeis, o que geralmente acontece em edições antigas, a que os pesquisadores precisam acessar. O processo está organizado da seguinte maneira: um emissor TG gera pulsos de radiação ultracurtos por livro, e o sensor da câmera embutido lê seu reflexo em pequenos bolsões de ar com uma largura de 20 mícrons que estão entre as páginas do livro. A resposta de cartas e páginas em branco parece diferente, permitindo distinguir entre a inscrição.
Fonte: YouTube Channel MIT Media Lab
Mas não é tão simples. A maior parte da radiação é refletida ou absorvida pelo livro, e outras partículas não refletem nas bolhas de ar, mas em outras páginas, criando um sinal falso. Para separar sinais falsos dos verdadeiros, você precisa saber a distância do receptor a uma página específica do livro. Agora, um algoritmo desenvolvido por cientistas pode teoricamente distinguir entre escrever em uma profundidade de até 20 páginas. Mas, na prática, a uma profundidade de nove páginas, a energia do sinal refletido se torna tão pequena que não é mais possível distingui-lo do ruído. Portanto, por enquanto, podemos ler jornais em vez de livros, embora a pesquisa esteja em andamento. Além disso, há desafios para o NDI da era da história dos preliterados.
4. Os neandertais tocavam flauta?
Além de questões médicas, a invenção de Wilhelm Roentgen ajuda a resolver problemas históricos. Por exemplo: os neandertais poderiam tocar flauta?
Os cientistas estavam pensando no osso de um urso da caverna encontrado na caverna Divye Babe (Eslovênia). Dois furos foram feitos e, nos pontos de interrupção, os contornos de mais dois são visíveis. Juntos, eles formam uma fila, como uma flauta. A descoberta tem 43 mil anos, então alguns cientistas acreditam que encontramos um produto neandertal, enquanto outros veem nos restos de ossos de um banquete de hiena, cujas presas poderiam fazer buracos tão bonitos.
Flauta Neandertal de Divier Babier. O autor dos buracos é um neandertal ou uma hiena da caverna. Fonte: Sporti / Wikimedia Commons
Para examinar minuciosamente a "flauta", os cientistas usaram tomografia computadorizada (TC): um raio-x iluminou o osso de diferentes ângulos, e o computador combinou as imagens em uma imagem tridimensional. Aconteceu que realmente existem muitos vestígios de comer animais no osso, mas nem todos podem ser claramente atribuídos aos efeitos dos maxilares. Então, usando as imagens obtidas, os cientistas reconstruíram uma cópia da "flauta".
Como se viu, você pode realmente tocá-lo: o instrumento produz até 2,5 oitavas em uma sequência de melodias em uma escala de 12 tons. "Flauta neandertal" sob o poder de legato, staccato, frullato, glissando e outros métodos de desempenho.
Não é tão difícil iluminar uma pequena flauta com um raio-X, mas existem mais monumentos históricos. Muito mais Como estar com eles?
5. Do céu à terra: como os raios cósmicos ajudaram a fazer um "raio-X" da pirâmide
Quase todas as nossas tecnologias que tudo vê permanecem "míopes": a "visão" de radares, máquinas de raio-x e ultra-som não se estende além (mais profundo) do que alguns metros. E você precisa de mais! Com essas idéias em 2016, um grupo de cientistas japoneses da Universidade de Nagoya examinou a pirâmide de Quéops com um volume de 2,5 milhões de metros cúbicos. Eles decidiram escanear este objeto com raios cósmicos, que nascem de fontes de altas energias, por exemplo, explosões de supernovas. Passando pela atmosfera da Terra, os raios cósmicos se transformam em partículas secundárias - múons. Eles têm uma capacidade de penetração muito alta: superar até 1 quilômetro de blocos de calcário não é um problema para eles.
A matéria absorve mais múons que vazios. Para "pegar" partículas, os japoneses colocam armadilhas especiais dentro das famosas câmaras da pirâmide. Impressões vívidas de múons indicavam uma cavidade desconhecida acima da Grande Galeria da Pirâmide de Quéops. Um espaço de 30 metros de comprimento lembra a forma de uma grande galeria. Como sugerem os egiptólogos, os raios cósmicos ajudaram a encontrar a sala técnica - a cavidade reduz a pressão dos blocos nos arcos da Grande Galeria.
A propósito, a mesma tecnologia agora é usada pelos cientistas russos em Derbent: eles estão tentando entender se a estrutura cruciforme, completamente oculta no subsolo, era a igreja cristã mais antiga da Rússia ou apenas um reservatório.
Fonte: Euronews
O que acontecerá depois?
Acreditamos que, no futuro próximo, as tecnologias de teste não destrutivo serão combinadas com outros desenvolvimentos avançados:
- O Big Data nos ajudará a coletar e interpretar muito mais informações do que um radiologista ao vivo pode absorver;
- as redes neurais tornarão o NDI mais proativo: podemos construir um sistema para teste em massa de produtos, peças, montagens na fase de produção, o que não requer uma avaliação humana direta;
- O resultado direto dessas operações será implementado automaticamente usando a impressão 3D . Os resultados da análise processada servirão como "alimento" para as impressoras 3D, que eliminam imediatamente as deficiências ou melhoram o produto no modo de transporte.