Наблюдая за пауками, древние люди научились плести сети. В наши дни человек все еще создает приборы и материалы, в основу которых легли способности животных. Ученые Пермского Политеха рассказали, как ультразвуком разглядеть не только микроскопические дефекты, но и посмотреть внутрь человека, каким образом работает тепловизор и какой орган помогает змеям ориентироваться по температуре, что за прибор дает человеку возможность видеть в темноте, подобно кошке, можем ли мы подражать хамелеону, прочнее ли керамика родных зубов и какие материалы спасают от шумных соседей.
Способность «видеть» с помощью звука
Эхолокация у животных основана на их способности испускать и воспринимать отраженные от предметов звуковые, чаще высокочастотные, сигналы. Обычно используется ультразвук — волны с частотой 20 кГц и выше. Человеческое ухо такие колебания не различает. Этот способ животные используют для ориентации, поиска пищи в условиях темноты, когда зрение использовать невозможно. По времени задержки возвращения отраженной волны определяется положение предметов в пространстве, их удаленность, размеры.
— Например, летучие мыши генерируют ультразвук особыми надгортанными связками, звуковая волна выходит в пространство через рот и нос, а отраженный от предметов УЗ собирается ушными раковинами, во внутреннем ухе происходит перекодирование колебаний в нервные импульсы, которые поступают в мозг и обрабатываются. У летучих мышей эхолокация эффективна на расстоянии до 20 м. У дельфинов дальность зависит от размера предметов и особенностей среды и может достигать 200 м. А вот пещерные стрижи-саланганы используют для эхолокации звуки с более низкой частотой, которые воспринимаются ухом человека, — рассказывает Анна Ахова, кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.
С помощью ультразвука научился видеть и человек. Аппарат УЗИ основан на принципе распространения продольной механической волны, посылаемой датчиком, и регистрацией отраженной волны с границ раздела биологических тканей с разной плотностью. На практике используются колебания c частотой от 1 до 30 МГц.
— УЗИ подходит для исследования органов брюшной полости (печени, поджелудочной железы, селезенки и т.д.), щитовидной и молочных желез, кровотока. Оно позволяет выявить наличие новообразований или уплотнений в исследуемой области (которые могут быть доброкачественными или раковыми), сужение сосудов из-за наличия бляшек, наличие камней в мочевом пузыре или почках, патологии структур сердца, разрыв связок суставов, сухожилий, мышц и так далее, — отмечает Владислав Никитин, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» Пермского Политеха.
— Эхолот — это прибор, который используется для исследования подводного ландшафта. Работает он достаточно просто: испускает электромагнитную волну в исследуемую область, отраженные от препятствия колебания возвращаются спустя время и регистрируются прибором. Этот временной промежуток и дает возможность оценить расстояние до объекта. Можно вспомнить радиолокацию летательных аппаратов. Как бы еще диспетчер узнал, что самолет вошел в воздушное пространство аэропорта с такой высокой точностью? — рассказывает Константин Латкин, старший преподаватель, инженер кафедры общей физики ПНИПУ.
— Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металла и воздуха) почти полностью отражаться, позволило применить его для выявления брака. Ультразвуковую дефектоскопию эффективно применяют в металлургии, строительстве, авиации. Метод позволяет найти дефекты в материале без его разрушения. Специальный сканер направляет и принимает ультразвуковые колебания, отраженные от внутренних несплошностей — трещин, расслоений и т.д., — добавляет Елена Федосеева, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ.
Фотоника тоже не обошла стороной такой способ исследования объектов, как отмечает Константин Латкин. Метод рефлектометрии полностью базируется на измерении мощности света, отраженного от препятствий в оптическом волокне. Даже незначительные примеси уже могут быть зафиксированы таким прибором. А вопрос их расположения по длине волокна решается с помощью временной задержки отраженного сигнала.
Как еще мы используем ультразвук?
— Ультразвуковая сварка — один из способов соединения поверхностей давлением. Этот метод использует колебания с частотой 20-40 кГц. Сначала металлические детали сжимаются, в зону контакта вводят ультразвуковые колебания. Там возрастает температура, что повышает пластичность внешних слоев металла, испарение пленок жира и влаги, растрескивание окисного слоя. Так соединяемые детали сближаются на расстояние, достаточное для появления межатомного взаимодействия, благодаря которому образуется монолитное соединение, — объясняет Елена Федосеева.
Ультразвук можно применять для соединения металла небольших толщин. Его также широко используют для сваривания полимерных материалов. Основными сферами применения сейчас являются: сварка электродов аккумуляторных батарей, сращивание медных и алюминиевых пластин для солнечных батарей, герметизация медных труб в кондиционерах, холодильниках. Разработан процесс сварки костных тканей в живом организме. В его основе лежит свойство ультразвука ускорять процесс полимеризации некоторых мономеров.
«Тепловое» зрение
Способность воспринимать инфракрасный свет еще называют тепловидением. Змеи улавливают ИК волны с помощью особых органов — ямок, расположенных рядом с глазами. В этих ямках находится мембрана, покрытая терморецепторами, которые активируются в ответ на повышение температуры. Наиболее развиты эти органы у гадюк и позволяют им «видеть» теплые объекты на расстоянии до нескольких метров. Импульс от рецепторов передается в мозг и обрабатывается в зрительном центре, что позволяет змее определять форму предметов и расстояние до них. Похожие ямки располагаются в районе носа у летучих мышей-вампиров, что позволяет им также «видеть» в ИК-диапазоне. Использование тепла в качестве ориентира при поиске жертвы характерно также для насекомых, в том числе комаров и клопов.
— У человека терморецепторы тоже имеются, но информация, поступающая от них, не используется для формирования зрительных образов. Хотя результаты некоторых исследований говорят, что в особых условиях человеческий глаз может улавливать излучение в ИК-диапазоне. При этом такой свет воспринимается как видимый, — отмечает Анна Ахова.
— Тепловизор — прибор, способный улавливать тепловое излучение. Как он работает? Любое тело, имеющее температуру выше -273,15 градусов по Цельсию, излучает инфракрасные электромагнитные волны. В тепловизоре находится матрица из малогабаритных датчиков, болометров, которые меняют электрическое сопротивление при нагреве таким излучением. Аппаратура интерпретирует эти данные как температуру наблюдаемых объектов. Частота самой яркой электромагнитной волны, испускаемой объектом, напрямую зависит от его температуры. Таким образом, например, измеряют поверхности звезд на нашем небосводе: красные — самые холодные (приблизительно 3500°C), голубые — наиболее горячие (от 30 000°C), — объясняет Константин Латкин.
Незаменим тепловизор стал для медицины. При осмотре пациента намного безопаснее измерить его температуру бесконтактным и быстрым способом без использования термометра с потенциально токсичной ртутью. Наблюдательные тепловизоры с большой дальностью обнаружения помогают сотрудникам оборонной отрасли выявлять вражеские боевые единицы даже в самую плохую погоду. Людям, профессионально занимающимся утеплением жилых помещений, тепловизор необходим для выявления плохо изолированных от внешних температур областей.
— Есть личный пример использования тепловизора из опыта работы на производстве. Оптическая схема, собранная для анализа люминесценции активного оптоволокна, давала противоречивые результаты измерения. Только с помощью тепловизора удалось выявить компонент, который работал нештатно из-за высокого нагрева. Дальше проблема была решена с помощью обычной системы охлаждения. Уверен, что это характерно не только для фотоники. Отслеживать излишний нагрев нужно при использовании электронных компонентов, различных типов двигателей и производстве взрывчатых смесей, — добавляет Константин Латкин.
Усиливаем видимый свет
У некоторых животных, таких как кошки и собаки, есть специальная структура в глазах, называемая тапетумом. Это отражающая мембрана, которая помогает увеличить количество света, попадающего на сетчатку, чтобы улучшить видимость в условиях низкой освещенности.
— Подобный принцип человек использовал в электронно-оптическом преобразователе. Прибор работает на двух явлениях: фотоэффекте и люминесценции. Элементарный чувствительный элемент этого прибора имеет в составе катод — электрод с большим количеством электронов на поверхности. При попадании на него частицы света, фотона, отрицательная частица «выбивается» и устремляется к люминофору. Такой материал светится при «встрече» с электроном, а уже сам свет можно легко различить человеческим глазом. Иногда схема усложняется: добавляются электроды, из которых первый электрон выбивают еще большее количество таких частиц, создавая лавинный процесс. Эти приборы способны предоставить человеку видимость даже в очень темных условиях, — объясняет Константин Латкин.
Камуфляж
Некоторые животные, такие как каракатицы и осьминоги, меняют цвет благодаря особым хроматофорным клеткам, которые содержат различные пигменты. За счет их сжимания и расширения тело моллюсков изменяет цвет и раскраску менее чем за секунду. Изменение окраски эти животные используют для камуфляжа или общения. Считается, что для маскировки моллюски не проводят точной подстройки окраски своего тела под окружающую среду, а зрительно считывают общий тренд и выбирают шаблон из заложенных генетически и отобранных в процессе эволюции.
— Изменение окраски у хамелеона происходит немного другим способом. Поверх слоев кожи, которые содержат хроматофоры, у них есть два слоя клеток, известных как иридофоры. Они содержат нанокристаллы, влияющие на то, как свет отражается от кожи. От плотности упаковки нанокристаллов зависят длины волн отраженного света и, соответственно, цвет хамелеона. Недавние исследования показывают, что эти рептилии меняют окрас в ответ на изменение температуры и настроения, для коммуникации, но в меньшей степени для камуфляжа, — объясняет Анна Ахова.
Олег Зверев, кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, рассказывает, что слиться с обстановкой человеку помогают специальные маскировочные халаты, которые внедрят в вооруженные силы. Современные разработки стремятся создать костюм, способный принять цвет окружающей среды — для этого необходимы видеокамеры, снимающие и распознающие фон за спиной человека, и множество маленьких высокотехнологичных экранов, показывающее изображение этого фона на лицевой части костюма.
Обновление зубов
В течение жизни крокодилы могут сменить свой комплект зубов сотню раз, этот процесс происходит каждые 1-2 года. В этой способности их превосходят акулы. Например, большая белая отращивает порядка 20 000 единиц. Взрослые особи меняют свои ряды примерно раз в месяц, а молодые — каждую неделю. Но эту завидную способность человек не получил.
— Все объясняется генетикой нашего организма. У ребенка сразу закладывается два ряда зубов — молочные и постоянные. Когда происходит смена на второй комплект, ген, отвечающий за обновление зубных единиц, перестает работать. Важно также понимать, что каждый зуб — это отдельный орган, а не его часть. Поэтому при утрате не происходит регенерации, как не получится отрастить новую почку в случае ее удаления, например, — объясняет Владислав Никитин.
Зубы разрушаются по различным причинам: поражение кариесом, недостаток минеральных веществ, травма и т.д. Прочность зуба обеспечивает дентин. Он поставляет минералы, которые могут вымываться из верхнего слоя эмали, останавливает развитие трещин, приводящих к ее раскалыванию. В этом слое протекают процессы восстановления (залечивания). По составу это смесь органических веществ (коллагеновых фибрилл, белков, необходимых для минерализации) и фосфата кальция в форме кристаллов гидроксиапатита.
Если зуб подвергся разрушению, стоматологи прибегают к различным вариантам лечения, в частности, к фиксации на обработанные зубы коронок или протезов. Путем обжига массы из минералов полевого шпата, кварца и каолина (белой глины) получают керамику — основное покрытие для коронок и протезов. Она хоть и отличается прочностью, но выполняет больше эстетическую функцию: ей можно придать различный оттенок, чтобы искусственный зуб не отличался от настоящих. Металлокерамика — это конструкция, где нагрузку несет на себе деталь, выполненная из сплава металлов (например, железа, титана, никеля и др.) и покрываемая керамическим слоем.
— Все указанные материалы прочнее наших зубов. Жесткость нужна ввиду того, что коронки и протезы устанавливаются на родные обработанные зубы, а также замещают недостающие. Они имеют толщину гораздо меньшую, чем натуральные зубы, но главное — в повышенной жесткости заключается стабилизация конструкции после установки, — поясняет Владислав Никитин.
Звукоизоляция
Совы должны быть абсолютно бесшумными, чтобы незаметно подкрадываться к своей добыче. Им в этом помогает особая структура перьев. Волокна и мелкие деления изолируют поток воздуха от крыльев, что позволяет избежать громких звуков, включая хлопанье перьев.
— Воздух, а точнее вакуум — лучший звукоизолятор. В качестве материала стен между квартирами, как правило, используются силикатные блоки толщиной 80-100 мм, изготовленные из извести и песка, керамический кирпич, гипсовые пазогребневые плиты или газобетонные блоки. Такие изделия имеют пустоты, что повышает их звукоизоляционную способность. В межквартирных перегородках пространство между блоками заполняют минеральной ватой. Это материал, который делают преимущественно из горных пород (базальта), связующего вещества и специальных добавок. Благодаря волокнистой структуре и воздуху, хаотично расположенному между волокнами, минеральная вата обладает хорошими звукоизоляционными свойствами. Такими же свойствами обладают газобетон, пробка, перфорированные панели из гипса. Для нежилых помещений могут быть использованы звукоизоляционные материалы на полимерной основе — пенополиэтилен, пенполипропилен и др., — рассказывает Степан Леонтьев, кандидат технических наук, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения Пермского Политеха.
От шумных соседей сверху помогут навесные потолки, например, из гипсокартона, или натяжной материал. Между ним и реальной потолочной поверхностью образуется воздушная прослойка.
Другой способ скрыть звук — отразить волну от поверхности. Так поступают при отделке звукозаписывающих студий. Специальные акустические панели из вспененного полиэтилена с неровным рельефом многократно «отражают» и затем гасят звуковые колебания, не пропуская их в соседние помещения. Пористая структура также помогает снизить уровень шума.