Новый ультразвуковой сенсор позволит «послушать» бактерии — как он устроен

Инженеры из Квинслендского университета в Австралии разработали новый тип ультразвукового датчика, показатели чувствительности которого значительно превосходят аналоги. Сенсор назвали ультраультразвуковым. Он способен уловить вибрации отдельных клеток и бактерий в организме человека и оценить, нормально ли они функционируют.

Рассказываем, как он устроен.

Фото Saroj Regmi / CC BY

Зачем нужен такой сенсор

Ультразвук активно используется в диагностике заболеваний, например для проведения УЗИ. В классическом ультразвуковом устройстве излучатель и приёмник сделаны из пьезоэлектрических кристаллов. При подаче на них переменного электрического заряда возникают механические колебания. Колебания создают звуковые волны высокой частоты, которые находятся за пределами слышимости человека.

Эти волны отражаются от поверхностей с высоким акустическим сопротивлением. Пьезоэлементы регистрируют эти отражения и позволяют сформировать на экране монитора изображение объекта. Однако у таких систем есть важный недостаток — низкое разрешение. С их помощью можно получить подробное изображение внутреннего органа, но нельзя зарегистрировать отдельную клетку.

Решить эту проблему взялись исследователи из Квинслендского университета в Австралии. Они разработали датчик высокой чувствительности, способный распознать движение клеток и даже молекул воздуха.

Как устроено изобретение

В отличие от классических пьезоэлементов датчик не испускает акустические волны. Он лишь улавливает излучение, исходящее от объектов изучения или воздуха вокруг них. За регистрацию волн отвечает кремниевый диск диаметром в 148 мкм и толщиной в 1,8 мкм. По форме он напоминает велосипедное колесо с четырьмя спицами. При попадании акустической волны на такой диск возникает резонанс и сигнал усиливается.

По центру кремниевого диска имеется тонкая подставка, связывающая его с камерой оптического резонатора. Через эту камеру проходит стоячая световая волна. Она реагирует на колебания диска под действием звука и изменяет свою форму. Эти изменения фиксирует фотодетектор, который также расположен в оптическом резонаторе. Полученная сенсором информация позволяет определить форму исследуемого объекта.

Достоинства и недостатки

Разработчики отмечают, что новый сенсор способен распознавать ультразвуковые волны с уровнем акустического давления от 50 мкПа (примерно 8 дБ) на частоте от 80 кГц до 1 МГц. Это на два порядка превосходит показатели других ультразвуковых сенсоров. По словам инженеров, устройство способно улавливать акустические колебания и с большей частотой, однако во время экспериментов такие волны слишком быстро затухали в воздухе и не успевали доходить до датчика.

Новый сенсор позволит бесконтактно изучать мельчайшие живые организмы. Обычно для исследования бактерии или вирусы извлекают из окружающей среды и помещают под микроскоп, что может приводить к изменениям в их поведении. С помощью новой технологии одноклеточных можно будет изучать прямо там, где они обитают, например в воздухе или почве.

У сенсора есть и несколько недостатков. Первый — подставка для диска в устройстве не изолирована от акустического давления. Из-за этой особенности датчик хуже улавливает частоты выше 800 КГц: в пространстве под диском возникает дополнительный резонанс, который повышает уровень шума. Для некоторых частот он может достигать 50%.

Фото Lee Maguire / CC BY

Второй недостаток — поверхность диска неравномерно воспринимает сигнал. На разных её участках механический резонанс возникает только под действием узкого диапазона частот. Если частота звука, который нужно «услышать» неизвестна, засечь его оказывается сложно.

Аналоги устройства

Первый аналог сенсора — пьезоэлектрический датчик, о котором мы говорили в начале. Очевидно, что основной недостаток пьезоэлектрических датчиков — низкая чувствительность. Но для решения этой проблемы уже есть несколкьо технологий. К примеру, металлическую поверхность сенсоров заменяют на более восприимчивые к колебаниям нановолокна.

Также для повышения разрешения пьезоэлектрические датчики помещают в воду: такую технологию используют в системах измерения на основе фотоакустического эффекта. Жидкая среда за счёт возникновения нелинейных эффектов усиливает звуковые колебания, которые образуются в приборе, что упрощает обнаружение волн.

Стоит отметить еще один тип датчиков — оптомеханические, которые используют для изучения формы объектов свет. Источник лазерного излучения и механический резонатор объединяются на тонкой пластине, колеблющейся при мельчайших изменениях в световом сигнале. Эти колебания затем отслеживает фотодетектор.

Оптомеханические датчики по чувствительности сопоставимы с ультраультразвуковыми и способны зарегистрировать отдельные молекулы. Однако не могут распознать объекты, которые по размеру меньше длины световой волны.

Эксперты отмечают, что в будущем чувствительные ультразвуковые (и оптомеханические) сенсоры найдут применение в умных домах, где станут частью систем обнаружения утечек газа.

Дополнительное чтение — из нашего Telegram-канала и «Мира Hi-Fi»:

Звук на проволоке: история телеграфона
Музыкальная ангедония, или не все любят музыку
Траутониум: немецкая волна в истории синтезаторов
Все, что вам необходимо знать о ЦАП