10 неймовірних науково-технічних застосувань звуку
Коли ми думаємо про технології майбутнього, часто не помічаємо поле, в якому відбуваються неймовірні досягнення: акустику. Звук на перевірку виявляється одним із фундаментальних будівельних блоків майбутнього. Наука використовує його, щоб творити неймовірні речі, і можете бути впевнені, що в майбутньому ми почуємо і побачимо набагато більше.
Охолодження
Команда вчених із Університету Пенсільванії за підтримки Ben and Jerry's створила холодильник, який охолоджує їжу за допомогою звуку. В його основі лежить принцип того, що звукові хвилі стискають та розширюють повітря навколо себе, що нагріває та охолоджує його відповідно. Як правило, звукові хвилі змінюють температуру не більше ніж на 1/10000 градусів, але якщо газ буде під тиском у 10 атмосфер, ефекти будуть значно сильнішими. Так званий термоакустичний холодильник стискає газ в камері, що охолоджує, і підриває його за допомогою 173 децибел звуку, генеруючи тепло. Усередині камери серія металевих пластин на шляху звукових хвиль поглинає тепло та повертає його у теплообмінну систему. Тепло видаляється, а вміст холодильника охолоджується.
Ця система була розроблена як більш екологічна альтернатива сучасним холодильникам. На відміну від традиційних моделей, які використовують хімічні холодоагенти на шкоду атмосфері, термоакустичний холодильник відмінно працює з інертними газами на зразок гелію. Оскільки гелій просто залишає атмосферу, якщо раптом опиняється в ній, нова технологія буде екологічніша за будь-яку іншу на ринку. У міру розвитку цієї технології її дизайнери сподіваються, що термоакустичні моделі в кінцевому рахунку обійдуть традиційні холодильники по всіх пунктах.
Ультразвукове зварювання
Ультразвукові хвилі використовуються для зварювання пластмас1960-х років. В основі цього методу лежить стиск двох термопластичних матеріалів на вершині особливого пристосування. Через розтруб потім подаються ультразвукові хвилі, які викликають вібрації в молекулах, що, у свою чергу, призводить до тертя, що генерує тепло. Зрештою два шматки зварюються разом рівномірно та міцно.
Як і багато технологій, ця була виявлена випадково. Роберт Солофф працював над ультразвуковою технологією герметизації і випадково торкнувся зондом диспенсера скотчу на столі. У результаті дві частини диспенсера спаялися разом, а Солофф зрозумів, що звукові хвилі можуть огинати кути та боки жорсткого пластику, досягаючи внутрішніх частин. Після відкриття Солофф та його колеги розробили та запатентували метод ультразвукового зварювання.
З того часу ультразвукове зварювання знайшло широке застосування у багатьох галузях промисловості. Від підгузків до автомобілів цей метод повсюдно використовується для з'єднання пластмас. Останнім часом експериментують навіть із ультразвуковим зварюванням швів на спеціалізованому одязі. Компанії на кшталт Patagonia та Northface вже використовують зварні шви у своєму одязі, але тільки прямі, і виходить дуже дорого. В даний час найпростішим і універсальним методом, як і раніше, залишається ручне шиття.
Крадіжка інформації про кредитки
Вчені знайшли спосіб передавати дані з комп'ютера на комп'ютер, використовуючи лише звук. На жаль, цей спосіб також виявився ефективним у передачі вірусів.
Фахівцю з безпеки Драгошу Руйу прийшла ця ідея після того, як він помітив щось дивне зі своїм MacBook Air: після встановлення OS X його комп'ютер спонтанно завантажив ще дещо. Це був дуже потужний вірус, який міг видаляти дані та вносити зміни за власним бажанням. Навіть післявидалення, переустановки та переналаштування всієї системи проблема залишалася. Найбільш правдоподібне пояснення безсмертя вірусу було таким, що він проживав у BIOS і залишався там, незважаючи на будь-які операції. Інша, менш ймовірна теорія була такою, що вірус використовував високочастотні передачі між динаміками та мікрофоном для управління даними.
Ця дивна теорія здавалася неймовірною, але була доведена хоча б щодо можливості, коли Німецький інститут знайшов спосіб відтворити цей ефект. На основі розробленого для підводного зв'язку програмного забезпечення вчені розробили прототип шкідливої програми, яка передавала дані між непідключеними до Мережі ноутбуками, використовуючи динаміки. У тестах ноутбуки могли повідомлятись на відстані до 20 метрів. Діапазон можна було розширити, зв'язавши заражені пристрої в мережу, подібно до ретрансляторів Wi-Fi.
Хороші новини в тому, що ця акустична передача відбувається вкрай повільно, досягаючи швидкості 20 біт на секунду. Хоча цього недостатньо для передачі великих пакетів даних, цього достатньо, щоб передавати інформацію на кшталт натискання клавіш, паролів, номерів кредитних карток та ключів шифрування. Оскільки сучасні віруси вміють робити все це швидше та краще, малоймовірно, що нова акустична система стане популярною у найближчому майбутньому.
Акустичні скальпелі
Лікарі вже використовують звукові хвилі для медичних процедур на кшталт УЗД та руйнування каміння у нирках, але вчені з Університету штату Мічиган створили акустичний скальпель, точність якого дозволяє відокремлювати навіть одну клітину. Сучасні ультразвукові технології дозволяють створити промінь з фокусом в кілька міліметрів, проте новий інструмент має точність вже в 75 на 400 мікрометрів.
Загальна технологія була відома з кінця 1800-х, проте новий скальпель став можливим завдяки використанню лінзи, обгорнутої в вуглецеві нанотрубки та матеріал під назвою полідиметилсилоксан, що конвертує світло в звукові хвилі високого тиску. При належному фокусі, звукові хвилі створюють ударні хвилі та мікробульбашки, які чинять тиск на мікроскопічному рівні. Технологію протестували, відокремивши одну клітину раку яєчників і просвердливши 150-мікрометрову дірку у штучному нирковому камені. Автори технології вважають, що її можна буде нарешті використовувати для доставки ліків чи видалення малих ракових пухлин чи бляшок. Її можна навіть використовувати для проведення безболісних операцій, оскільки такий ультразвуковий промінь зможе уникати нервових клітин.
За допомогою нанотехнологій вчені намагаються видобувати енергію з різних джерел. Одним із таких завдань є створення пристрою, який не потрібно буде заряджати. Nokia навіть запатентувала пристрій, що поглинає енергію руху.
Перетворити тіло людини на мікрофон
Вчені з Disney зробили пристрій, який перетворює людське тіло на мікрофон. Назване «ішин-ден-шин» на честь японського висловлювання, що означає спілкування через негласне взаєморозуміння, воно дозволяє комусь передати записане повідомлення, просто торкнувшись вуха іншої персони.
Цей пристрій включає мікрофон, прикріплений до комп'ютера. Коли хтось говорить у мікрофон, комп'ютер зберігає мову у вигляді запису на повторі, яка потім перетворюється на ледь чутний сигнал. Цей сигнал передається по дроту від мікрофона до тіла будь-кого, хто його тримає, та виробляє модульоване електростатичне поле, яке викликає крихітні вібрації, якщо людина чогосьстосується. Вібрації можуть бути почуті, якщо людина торкнеться чужого вуха. Їх навіть можна передавати від людини до людини, якщо група людей перебуває у фізичному контакті.
Акустична маскування
Вчені зробили пристрій, який може ховати об'єкти від звуку. Воно схоже на дивну діряву піраміду, але її форма відбиває траєкторію звуку так, ніби він відбивається від плоскої поверхні. Якщо ви розмістите це акустичне маскування на об'єкті на плоскій поверхні, він буде невразливий для звуку незалежно від того, під яким кутом ви будете направляти звук.
Хоча, можливо, ця накидка і не запобіжить прослуховування розмови, вона може стати в нагоді в місцях, де об'єкт потрібно сховати від акустичних хвиль, наприклад, концертний зал. З іншого боку, військові вже поклали око на цю маскувальну піраміду, оскільки має потенціал ховати об'єкти від сонара, наприклад. Оскільки під водою звук подорожує майже так само, як повітрям, акустична маскування може зробити підводні човни невидимими до виявлення.
Притягуючий промінь
Довгі роки вчені намагалися втілити в життя технології із «Зоряного шляху», у тому числі й тяговий промінь, за допомогою якого можна захоплювати та притягувати ті чи інші речі. В той час, як багато досліджень фокусується на оптичному промені, який використовує тепло для пересування об'єктів, ця технологія обмежена розміром об'єктів в кілька міліметрів. Ультразвукові тягові промені, однак, довели, що можуть рухати великі об'єкти — до 1 сантиметра завширшки. Можливо, це все ще мало, але у нового променя сила в мільярди разів перевершує старі напрацювання.
Зосередивши два ультразвукові промені на цілі, об'єкт можна підштовхнути понапрямку до джерела променя, розсіюючи хвилі в протилежному напрямку (об'єкт ніби підстрибуватиме на хвилях). Хоча вченим поки що не вдалося створити найкращий вид хвилі для своєї техніки, вони продовжують роботу. У майбутньому цю технологію можна буде використовувати безпосередньо для керування об'єктами та рідинами в тілі людини. Для медицини вона може виявитися незамінною. На жаль, у космічному вакуумі звук не поширюється, тому навряд чи технологія застосовується для управління космічними кораблями.
Тактильні голограми
Наука також працює над іншим творінням «Зоряного шляху» – голодом. Хоча в технології голограми немає нічого нового, на даний момент нам доступні не такі хитромудрі її прояви, як показують фантастичні фільми. Щоправда, найважливішою рисою, яка відокремлює фантастичні голограми від реальних, залишаються тактильні відчуття. Залишалися, якщо бути точними. Інженери з Університету Брістоля розробили так звану технологію UltraHaptics, яка може передавати тактильні відчуття.
Спочатку технологія розроблялася для сили на вашу шкіру, щоб полегшити жестове керування певними пристроями. Механік із брудними руками, наприклад, міг би перегорнути посібник з експлуатації. Технологія мала надати сенсорним екранам відчуття фізичної сторінки.
Оскільки ця технологія використовує звук для вібрацій, які відтворюють відчуття дотику, рівень чутливості можна змінювати. 4-герцеві вібрації схожі на важкі краплі дощу, а 125-герцеві нагадують дотик до піни. Єдиним недоліком на даний момент залишається те, що ці частоти можуть бути почуті собаками, але дизайнери кажуть, що це можна виправити.
Заразвони допрацьовують свій пристрій для виробництва віртуальних форм на кшталт сфер і пірамід. Щоправда, це зовсім віртуальні форми. В основі їх роботи лежать сенсори, які йдуть за вашою рукою і відповідно утворюють звукові хвилі. В даний час цим об'єктам не вистачає деталізації та деякої точності, але дизайнери кажуть, що одного разу технологія буде сумісна з видимою голограмою, а людський мозок зможе скласти їх в одну картинку.