10 удивительных технологий, связанных со звуком
Когда мы размышляем о технологиях будущего, мы часто забываем об области, которая переживает невероятные открытия — акустике. Звук подтверждает свой статус одного из фундаментальных кирпичиков будущего. Наука использует его, чтобы делать все больше классных вещей, и в ближайшие годы мы наверняка еще не раз услышим об этом. Предлагаем вашему вниманию подборку из десяти невероятных технологий, использующих звуковые волны.
10. Охлаждение
Группа исследователей из университета штата Пенсильвания, спонсируемая производителем мороженого Ben & Jerry«s, сделала холодильник, который охлаждает еду с помощью звука. Он работает по принципу того, что звуковая волна сжимает и разряжает воздух вокруг себя, что, соответственно, ведет к нагреву и охлаждению. В нормальных условиях звук влияет на температуру не более, чем на 1/10000 градуса, но намного больший эффект можно достигнуть, поместив газ в холодильник под серьезным давлением — порядка 10 атмосфер. Так называемая «термоакустическая морозилка» сжимает газ внутри камеры охлаждения и продувает со звуковым давлением 173 дБ, генерируя тепло. Металлические пластины, установленные на пути звуковых волн внутри, забирают это тепло и направляют в теплообменник. В ходе этого содержимое установки охлаждается.
Систему разработали как более экологичную альтернативу традиционным холодильникам. В отличие от обычных систем, где используются вредные для атмосферы хладагенты, термоакустический холодильник отлично работает с инертными газами, такими как гелий. Поскольку утечка гелия не несет в себе опасности, это делает новую технологию охлаждения более «зеленой» и экологичной, чем что-либо из представленных сегодня на рынке технологий.
Создатели надеются, что по мере развития технологии, термоакустические модели смогут обогнать классические холодильники по надежности, поскольку в них меньше механических частей, которые могут сломаться.
9. Ультразвуковая сварка
Ультразвуковыми волнами соединяют пластик еще с 1960-х годов. Для этого нужно сдавить два термопластических материала на наковальне, а затем подать ультразвуковые волны. Они заставят молекулы вещества вибрировать, и возникшее трение начнет выделять тепло. В конечном итоге, два пластика прочно и равномерно сплавляются между собой.
Как это часто бывает с технологиями, эффект был открыт случайно. Исследователь Роберт Солофф работал над технологией ультразвукового запечатывания пленкой, когда он случайно коснулся зондом держателя для скотча на своем столе. В результате этого две половины держателя сварились воедино, что и натолкнуло его на мысль, что звуковые волны могут распространяться по твердому материалу, огибая контуры и достигая точек сварки. Используя это открытие, Солофф и его коллеги разработали и запатентовали метод ультразвуковой сварки.
С тех пор ультразвуковая сварка широко используется в различной индустрии. От подгузников до автомобилей — везде, где нужно соединять полимерные поверхности.
С недавних пор ВМФ США начали экспериментировать со «сварочными швами» для униформы. Если материал одежды представляет собой термопластик типа нейлона, то ультразвуковая сварка поможет сделать швы более крепкими, легкими и непроницаемыми, чем традиционная прошивка. Компании, такие как Patagonia и Northface, уже используют сварные швы в своей одежде, но их применение военными все на экспериментальной стадии. Технологию обычно используют для прямых швов, а не огибающих контуры. А еще это дорого. Шитье все еще остается самым дешевым и универсальным способом.
8. Кража информации с кредитки
Исследователи нашли способ передачи данных между компьютерами с помощью одного лишь звука. Однако они обеспокоены, потому что это, помимо прочего, прекрасный способ передавать вирусы.
Консультант по безопасности Драгос Руху задался идеей после того, как заметил что-то странное со своим MacBook Air: после установки OS X, его компьютер спонтанно обновил загрузочную информацию. Он подхватил мощный вирус, который запрещал загрузку с CD, мог стирать данные и вносить изменения по собственной воле. Даже после форматирования, переустановки и перенастройки системы целиком проблема все еще проявляла себя. Наиболее вероятная причина «бессмертия» вируса — то, что он проник в BIOS, благодаря чему оставался в системе, несмотря на попытки переустановки. Другая, наименее вероятная — он мог использовать высокочастотные волны между динамиками и микрофоном для передачи данных.
Эта странная теория, конечно, маловероятна, но такая возможность была доказана Немецким институтом, который смог повторить эффект. Используя программу, сделанную для глубоководной связи, они разработали прототип вредоносной программы, передающей данные между ноутбуками только через динамики, без подключения к сети.
В ходе тестов ноутбуки могли поддерживать скрытую звуковую связь на расстоянии 20 метров. Радиус можно расширить, если соединить несколько устройств по цепочке, по аналогии с ретрансляторами Wi-Fi.
Хорошие новости в том, что акустическая передача по-черепашьи медленная, порядка 20 бит/с. Хот этого недостаточно для передачи больших порций данных, этого вполне хватит, чтобы передавать короткие пакеты информации наподобие нажатых клавиш, паролей, номеров кредиток и шифровальных ключей. Поскольку вредоносные программы уже умеют делать это быстрее и лучше, вряд ли нас скоро накроет акустическая угроза.
7. Акустический скальпель
Докторы уже используют звуковые волны для процедур наподобие УЗИ и дробления камней в почках, но исследователи из Мичиганского университета сделали акустический скальпель. Он настолько точный, что может отделить одну клетку. Текущая технология фокусированного ультразвука может создать луч с фокальной точкой в несколько миллиметров, но их новый инструмент обладает точностью 75×400 мкм.
Сама технология существует с конца XIX века, но новый скальпель получилось создать с помощью линзы, покрытой углеродными нанотрубками и полидиметилсилоксаном, чтобы превращать свет в звуковые волны высокого давления. При достаточно узкой фокусировке звуковые волны вызывают вибрацию и микропузырьки, создающие давление на микроскопическом уровне. Это уже протестировали, отделив одиночную раковую клетку яичника, и просверлив отверстие 150 мкм в почечном камне.
Создатели надеются, что со временем такой метод можно будет использовать для введения лекарств или для уничтожения маленьких опухолей и тромбов. Возможно, это будет проходить еще и без боли, поскольку луч настолько точный, что не задевает нервы.
6. Заряжаем смартфон своим голосом
Исследователи используют нанотехнологии, чтобы добывать энергию для выработки электричества из разных источников. Одна из их целей — создание гаджетов, которым не нужна подзарядка. В частности, Nokia даже запатентовали устройство, вырабатывающее энергию при движении.
Поскольку звук — это колебания воздуха (то есть, движение), он может стать подходящим источником энергии. Исследователи экспериментируют с тем, как можно заряжать сотовые телефоны в ходе простого использования — прямо во время звонка. В 2011 группа ученых из Сеула применила нанотрубки из оксида цинка, заключенные между двумя электродами, чтобы получить электричество из звуковых волн. Технология смогла выработать 50 милливольт от шума транспортного потока. Этого мало, чтобы заряжать большинство устройств, но в прошлом году инженеры из Лондона создали устройство, выдающее напряжение в 5 вольт — вполне достаточно для телефона.
Зарядка телефона звуком станет отличной новостью для отъявленных болтунов, но она также серьезно повлияет на инженерный мир.
Похожую термоакустическую технологию, как в холодильнике, тоже можно использовать, чтобы превращать звук в электричество. Устройство Score-Stove — это печка, которая преобразует избыточную тепловую энергию в звук, а затем в электричество. Вырабатываемые 150 Вт — не так уж много, но этого достаточно, чтобы обеспечить хоть какой-то энергией 1,3 миллиарда человек на Земле, которые живут в сельской глуши вообще без электричества.
5. Превращаем человека в микрофон
Исследователи из Disney сделали устройство, превращающее тело в микрофон. Названное «Ishin-Den-Shin» в честь японской фразы, означающей общение без слов, оно позволяет кому-нибудь молча передать записанное сообщение, просто дотронувшись до уха собеседника.
Устройство представляет собой микрофон, подключенный к компьютеру. Когда кто-нибудь говорит в микрофон, компьютер делает циклическую запись фрагмента, которая затем преобразуется в маломощный электрический сигнал с большой амплитудой. Он возвращается на корпус микрофона по отдельному проводу, и любой, кто держит в руке микрофон, становится своеобразным «проводником»: вблизи его кожи возникает модулированное электростатическое поле. Стоит только дотронуться до чужого уха, и это поле вызывает вибрацию мочки уха. В результате палец и ухо образуют собой «громкоговоритель», который делает сигнал слышимым для получателя.
Неслышимый сигнал также можно передавать по цепочке от человека к человеку через любой физический контакт. Этот принцип работает и с различными предметами: обыденную вещицу можно превратить в интерактивное звуковое устройство без лишнего оборудования.
4. Шпионаж
Порой наука порождает что-то такое, о чем даже Джеймсу Бонду остается только мечтать. Исследователи из Массачусетского технологического института, Microsoft и Adobe разработали алгоритм, позволяющий восстановить звуковые колебания от объектов, снятых на видео. Их алгоритм анализирует неуловимые вибрации, которые возникают на поверхностях, и делает их слышимыми. Один из экспериментов восстановил внятную речь через пакетик чипсов, записанный с расстояния 4,5 метра через звуконепроницаемое стекло.
Для наилучших результатов алгоритму нужно видео, в котором частота кадров превышает частоту звука, а для этого нужна высокоскоростная съемка. Как минимум, его можно использовать с обычной цифровой камерой, чтобы определить количество собеседников в комнате и их пол — возможно, даже идентифицировать личности. Новая технология, очевидно, пригодится в криминалистике, правоохранительных органах и шпионских войнах.
Все, что нужно сделать с технологией визуального микрофона — это направить скоростную цифровую камеру в окно, чтобы услышать происходящее внутри.
3. Акустический камуфляж
Ученые придумали устройство, которое может спрятать объект от звука. Оно выглядит как причудливая пирамида, усеянная дырками, но такая форма меняет траекторию звуковых волн, будто они отражаются от плоской поверхности. Если вы поместите акустический щит над объектом на плоской поверхности, то он пропадает для звука, независимо от того, под каким углом вы находитесь.
Возможно, он не убережет ваш разговор от подслушивания со стороны, но он может замаскировать объекты там, где важна акустика — например, в концертном зале.
Поскольку разработка велась на гранты от армии США, они могли ориентироваться на что-то более крупноразмерное. Звук не удерживается внутри, но у разработки есть потенциал, чтобы скрывать объекты от систем звукового обнаружения наподобие сонара. Поскольку звуковые волны распространяются в воде и воздухе похожим образом, то звуковой камуфляж может когда-нибудь сделать подводные лодки «невидимками».
2. Тяговый луч
Ученые годами бились над тем, чтобы воплотить технологии из знаменитого сериала «Звездный путь» (Star Trek), из которых не последнюю роль играет тяговый луч. Пока что большинство исследований было посвящено оптическим лучам захвата, которые используют тепло для передвижения объектов. Но возможности этой технологии ограничены предметами, чей размер составляет лишь доли миллиметра. Однако ультразвуковые лучи захвата оказались способны на большее — им подвластны объекты порядка 1 см. Это может выглядеть крошечно, но новый луч развивает силу в миллиард раз больше предыдущих вариантов.
Фокусируя два ультразвуковых луча на цели, объект можно притягивать в сторону излучателя, если волны будут отражаться в обратном направлении. Хотя ученым не удалось создать наилучший тип волн для этого метода — луч Бесселя — они хотя бы смогли его достаточно близко аппроксимировать, чтобы получить тяговый луч. В будущем такая технология сможет применяться для манипуляции объектами и жидкостями в теле. Для медицины было бы весьма удобно иметь средство, чтобы доставлять лекарства именно туда, куда нужно.
К великому сожалению для всех фанатов «Звездного пути», звук не распространяется в космическом вакууме, так что таким лучом не спасешь какой-нибудь космический корабль, попавший в беду.
1. Тактильные голограммы
Наука бьется и над другой технологией из «Звездного пути» — голодеком, то есть, дословно, «голографической палубой». Возможно, у нас нет ничего такого продвинутого, как в научно-фантастических сагах, но голографическая технология далеко не нова. Одной из загвоздок при создании настоящего голодека является то, что наука не могла придумать способ, чтобы воссоздать тактильные ощущения –, но лишь до недавнего времени. Инженеры Бристольского университета разрабатывают нечто под названием UltraHaptics, что решит эту проблему.
Изначально появилась технология, создающая тактильную обратную связь, когда вы управляете сенсорными устройствами с помощью жестов. К примеру, механик с запачканными руками мог бы использовать ее, чтобы листать сервисную инструкцию. Это словно у «читалки» Amazon Kindle появилось бы ощущение перелистывания настоящих страниц.
Поскольку технология использует звук, чтобы возникла вибрация, имитирующая прикосновение, ее уровень воздействия может меняться. К примеру, вибрация частотой 4 Гц ощущается как крупные капли дождя, а частота 125 Гц кажется, будто вы касаетесь пены.
Сейчас они доработали устройство, и оно может воспроизводить виртуальные фигуры, такие как сферы или пирамиды. Однако никакой геометрии здесь не задействовано. Вместо этого используются сенсоры, следящие за руками и управляющие звуком для соответствующей иллюзии. Сейчас у объектов не слишком много деталей, да и форма неидеальная, но разработчики говорят, что как только тактильная иллюзия накладывается на видимую голограмму, человеческое восприятие легко достраивает картину. Они надеются, что технология найдет широкое использование от видеоигр до устройств, которые позволят докторам физически осязать объекты на снимке компьютерной томографии.
Михаил Кузнецов, mikhail.kuznetsov@corp.mail.ru
Полный текст статьи читайте на HI-TECH@Mail.Ru
