10 самых невероятных вещей, которые создала наука, используя только звук

Когда мы думаем о будущих технологиях, мы часто игнорируем науку, обладающей массой невероятных достижений, а именно - акустику. Если более подробно разобраться во всем этом, то оказывается, что звук вполне можно назвать одним из фундаментальных элементов будущего. Сегодня ученые используют его для создания невероятных вещей и предметов, чем это когда-либо было возможно, и в ближайшие годы мы точно услышим о его использовании еще много чего интересного.

10. Охлаждение

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания, работу которых финансировала знаменитая американская марка Ben & Jerry’s, сделала холодильник, охлаждающий еду с помощью звука. Он работает по принципу, что звуковые волны сжимают и расширяют воздух, во время чего последний соответственно сначала нагревается, а затем охлаждается. Как правило, звуковые волны влияют на температуру не более чем на 1/10000 градуса, но можно достигнуть гораздо большего эффекта, если поместить газ внутрь холодильника под большим давлением, равным примерно 10 атмосфер.

Термоакустический морозильник (как его называли) сжимает газ внутри своей камеры охлаждения и затем ударной волной высвобождает более чем 173 децибел звука, генерирующих тепло. Внутри него расположено несколько металлических пластин, которые стоят прямо на пути звуковых волн, а потому они поглощают все тепло, выделяемое ими, и передают его в систему теплообменника. Таким образом, тепло удаляется, а содержимое холодильника охлаждается.

Эта система была разработана как более экологическая альтернатива традиционным холодильникам. В отличие от обыкновенных моделей, использующих в работе химические хладагенты, которые наносят вред атмосфере, термоакустический холодильник очень хорошо функционирует на основе таких инертных газов, как гелий. Поскольку последний просачивается к нам просто из атмосферы, когда случается протечка газа, он делает новую технологию гораздо зеленее, чем что-либо существующее на современном рынке. Так как наука постоянно развивается, его разработчики надеются, что термоакустические модели холодильников в конечном итоге превзойдут по популярности обыкновенные морозильные камеры, по крайне мере с точки зрения надежности, ведь они состоят из гораздо меньшего количества движущихся частей, которые могут сломаться.

9. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковые волны начали использовать для сварки пластмасс, начиная с 1960 года. Суть данного процесса заключается в сжатии двух термопластичных материалов, лежащих на наковальне. Затем ультразвуковые волны проходят через звукоприемник, который заставляет их вибрировать, в результате чего образуется трение, которое вызывает образование высокой температуры. В конечном счете две ранее отдельные детали оказываются равномерно и прочно спаянными друг с другом.

Как и многие другие технологии, это свойство звуковых волн было обнаружено случайно. Роберт Солофф работал над технологией уплотнения ультразвуковых пломб, когда зонд, который он держал в руках, случайно приклеился к дозатору, расположенному на его столе наподобие скотча. Неожиданное сваривание двух устройств вместе натолкнуло его на мысль, что звуковые волны могут передвигаться по углам и бокам жестких пластиков пока те плотно не соединяться между собой. После открытия, Солофф и его коллеги разработали и запатентовали технологию, известную как метод ультразвуковой клепки.

С тех пор, ультразвуковая сварка нашла широкое применение во многих отраслях промышленности. Начиная от тонких материй и заканчивая автомобилями, технология используется везде, где необходимо соединить пластмассы. В последнее время ВМС США начали экспериментировать с использованием данного метода сварки для создания «сварных швов» на своих мундирах. Пока материал одежды будет оставаться термопластичным (как, например, тот, что пошит из нейлона), во время его производства может быть использована ультразвуковая сварка, позволяющая делать более прочные, легкие и плотные швы, чем те, что образуются в результате машинной сшивки изделий.

Однако даже в то время как такие компании-производители одежды, как Patagonia и Northface уже используют сварные швы в своих изделиях, военное применение данной технологии по-прежнему остается только экспериментальным. Дело в том, что сварка обычно используется только для создания прямых швов, а те, которые имеют углы и повороты приходится делать традиционным способом. К тому же это дорого. Поэтому в настоящее время самым дешевым и универсальным методов создания одежды по-прежнему остается ручное шитье.

8. Кража информация с кредитных карт

Исследователи нашли способ передавать данные с компьютера на компьютер с помощью звука. Но, к сожалению, они беспокоятся, что это также очень эффективный способ передачи вирусов.

Консультант по безопасности Драгош Руи додумался до этого после того, как начал замечать что-то странное в своем MacBook Air: после установки OS X, его компьютер спонтанно обновил свою прошивку. Оказалось, что все дело в наличии очень мощного вируса, который не позволяет использовать компакт-диски, может привести к удалению данных, а также способен вносить изменения в систему по своему желанию. Даже после удаления, переустановки и перенастройки всей системы, проблема все еще оставалась. Наиболее правдоподобной теорий, объясняющей кажущееся бессмертие вируса было то, что он находится в базовой системе ввода/вывода (BIOS), которая вполне могла бы позволить ему остаться в устройстве, несмотря на все попытки удаления. Другим предположением, но крайне маловероятным, было то, что он попал в систему MacBook Air с помощью высокочастотных передач, происходящих между динамиками и микрофонами для передачи данных.

Странная теория казалась просто невероятной, но была доказана или, по крайней мере, возможность ее проведения была подтверждена, когда немецкий институт нашел способ воспроизвести вышеописанные действия. На основе программного обеспечения разработанного для осуществления подводной связи, ученые создали прототип вредоносных программ, которые позволили им отправить данные через неподключенные к сети ноутбуки, используя их звуковые колонки. Во время теста обнаружилось, что компьютеры могли обмениваться данными, находясь в 20 метрах друг от друга. И этот диапазон может быть расширен путем объединение зараженных устройств в одну рабочую сеть, аналогично Wi-Fi ретрансляторам.

Хорошей новостью является то, что акустическая передача происходит крайне медленно, и имеет предельную скорость в 20 бит в секунду. Хотя этого недостаточно для передачи больших пакетов данных, этого вполне хватает для того, чтобы отправлять небольшое количество информации, такой как, например, нажатие клавиш, пароли, номера кредитных карт и ключи шифрования. Поскольку в настоящее время вредоносные программы могут делать все то же самое в разы быстрее и качественнее, маловероятно, что подобная акустическая угроза потревожит кого-нибудь в ближайшее время.

7. Акустические скальпели

Врачи уже используют звуковые волны для проведения медицинских процедур, таких как УЗИ и дробление камней в почках, но исследователи из Мичиганского университета сумели разработать акустический скальпель, обладающий такой высокой точностью, что он может точно отделить одну клетку от другой. Современная технология сфокусированного ультразвука позволяет создавать луч с фокусным пятном размером примерно в несколько миллиметров, однако их новый инструмент обладает точностью 75 х 400 мкм.

Основная технология использования подобных лучей была разработана примерно в конце 1800-х годов, но новый скальпель стал реальностью только после создания линз с покрытием, состоящим из углеродных нанотрубок и материала, называемого полидиметилсилоксан, позволяющим преобразовывать свет в звуковые волны высокого давления. Имея достаточно плотную фокусировку, звуковые волны создают ударные волны и микропузырьки, оказывающие давление на микроскопическом уровне. Эта технология уже была проверена в действии, когда с ее помощью удалось отсоединить одну раковую клетку с яичников и сделать отверстие диаметром 150 микрометров в камне искусственной почки. Разработчики скальпеля надеются, что, в конечном итоге, он может быть использован для передачи лекарственных препаратов во внутренние органы либо для устранения небольших раковых опухолей или бляшек. Вполне возможно, что все эти операции удастся выполнять абсолютно безболезненно, поскольку их луч настолько точен, что позволяет избежать контакта с нервными клетками.

6. Зарядка мобильного телефона с помощью звука

Исследователи используют нанотехнологии как для сбора энергии от различных источников, так и для выработки электроэнергии. Одной из их приоритетных целей является создание устройств, которые не нуждаются в зарядке. Компания Nokia, в частности, даже запатентовала устройство, которое поглощает энергию, вырабатываемую во время движения.

А так как звук представляет собой сжатие и расширение газов в воздухе, что также является своеобразным движением, это делает его потенциальным источником энергии. Ученые экспериментировали с разнообразными способами, с помощью которых можно зарядить свой мобильный телефон, в частности они рассмотрели тот момент, когда вы используете его для совершения звонков.

В 2011 году исследователи из Сеула попробовали применить нано-стержни оксида цинка, зажатые между двумя электродами, для выработки электроэнергии из звуковых волн. Технология позволила сгенерировать около 50 милливольт с определенного количества шума. Однако этого недостаточно для того, чтобы зарядить большую часть электрических устройств, но в прошлом году, инженерам из Лондона удалось создать устройство, которое может производить 5 вольт, чего вполне достаточно для зарядки телефона.

В то время как зарядка мобильных телефонов посредством звука является весьма хорошей новостью для любителей поговорить, это также может оказать свое влияние на общее развитие мира. Кроме того, схожая на нее термоакустическая технология, позволяющая создавать холодильники, также может быть применена для преобразования звука в электричество.

Устройство, известное под названием «Score-Stove» является плитой и холодильником одновременно, способным использовать энергию, выделяемую во время приготовления пищи на биотопливе, для выработки небольшого количества электричества, равного около 150 ватт. Это немного, но его вполне достаточно, чтобы обеспечить хоть каким-нибудь количеством энергии 1,3 миллиарда человек на Земле, не имеющих доступа к электричеству.

5. Превращение человеческого тела в микрофон

Исследователи в компании Дисней разработали устройство, превращающее человеческое тело в микрофон. Названное «Ishin-Den-Shin» в основе японское выражение, описывающее общение через негласное взаимопонимание, оно позволяет молча передать записанное ранее сообщение, просто коснувшись уха другого человека.

Устройство, которое они сделали, включает в себя микрофон, прикрепленный к компьютеру. Когда кто-то говорит в микрофон, компьютер сохраняет его слова в виде цикличной записи, которая затем преобразуется в неслышимый для человеческого уха сигнал, передающийся через провод, подключенный к микрофону. Затем сигналы передаются из микрофона к телу того, кто держит его в руках, во время чего образуется модулированное электростатическое поле, вызывающее крошечные колебания, если человек касается чего-либо. Эта вибрация может быть услышана при касании чужого уха. Она даже может быть передана от человека к человеку при наличии физического контакта.

4. Шпионаж

Иногда наша наука создает то, о чем Джеймс Бонд мог бы только мечтать. Исследователи из Массачусетского технологического института, а также компаний Microsoft и Adobe разработали алгоритм, позволяющий считывать пассивные звуки из неодушевленных объектов, присутствующих на видео. Их разработка позволяет анализировать незаметные колебания, создаваемые звуковыми волнами на поверхности предметов, и делать их слышимыми. В ходе одного эксперимента им удалось восстановить внятную речь из пакета с чипсами, записанную на расстоянии 4,5 метров от звуконепроницаемого стекла.

Для достижения наилучших результатов, этот алгоритм требует, чтобы кадровая частота была выше, чем частота звукового сигнала, то есть для записи необходимо использовать высокоскоростные камеры. Тем не менее, технология позволяет получить не очень качественные результаты даже с записи, сделанной обычной цифровой камерой. К примеру, новейший алгоритм определяет при этом такие вещи, как количество разговаривающих людей в комнате, их пол, а, возможно, даже их личность. Новая разработка весьма полезна для судебно-медицинской экспертизы, правоохранительных органов и шпионских войн. При использовании данной технологии, все, что должен сделать шпион, это направить высокоскоростной цифровой фотоаппарат в окно, чтобы иметь возможность записывать все, что происходит внутри.

3. Акустическая маскировка

Исследователи создали устройство, способное скрывать некоторые объекты от звука. Оно похоже, на странную пирамиду с множеством дыр, но ее форма позволяет изменять траекторию звуковых волн в соответствие тому, как они должны выглядеть, если бы отражались от плоской поверхности. Если вы поместите ее поверх объекта, установленного на плоской поверхности, он полностью исчезает для звука независимо от того, под каким углом вы на него смотрите.

Хотя разработка не может предотвратить прослушивания разговора извне, она способна эффективно маскировать объекты в таких местах, где весьма необходима акустика, как например, в концертных залах. Учитывая тот факт, что данное исследование было проведено на основе гранта, полученного от американских военных, теперь они, вероятно, намерены использовать эту технологию для чего-то большего. Она не блокирует звук, но способна скрыть крупные объекты от звуковых систем наблюдения по типу сонара. Поскольку звук проходит под водой точно таким же образом, как в воздухе, акустическая маскировка, в конечном счете, может сделать подводные лодки невидимыми для систем обнаружения.

2. Притягивающий луч

В течение многих лет ученые пытались создать технологии, изображенные в Star Trek, не последним из которых является притягивающий луч. В то время как множество подобных исследований фокусировалось на оптических лучах, использующих тепло для перемещения объектов, данная технология создавалась для работы с предметами не более миллиметра в ширину. Однако, полученный в ходе экспериментов ультразвуковой притягивающий луч, доказал, что способен передвигать крупные объекты размером в сантиметр.

Это может казаться весьма незначительным достижением, но новый луч обладает силой в миллиард раз превосходящей силу его предыдущих моделей.
Сосредоточив два ультразвуковых луча на выбранном объекте, его можно подтянуть в сторону источника луча, путем отталкивания его от волн и разбрасывая последних в разные стороны. Хотя ученые так и не смогли создать лучший вид волн для своей техники (известной как «Луч Бесселя»), у них есть все шансы для того, чтобы разработать настоящий притягивающий луч. В будущем, эта технология может быть использована для направления объектов и жидкостей внутри организма. Она бы могла стать благом для медицины, если бы позволила контролировать перенос лекарств в те органы и ткани, где они наиболее всего необходимы. К большому огорчению поклонников Star Trek, звук не способен передвигаться по безвоздушному пространству, а поэтому не может быть использован для спасения космических кораблей, находящихся в бедственном положении.

1. Тактильные голограммы

Современная наука также работает над созданием еще одной технологии из Star Trek, известной как голодека. Хотя в действительности она не так сложна, как в научно-фантастических фильмах, в технологии создания голограмм нет ничего нового. Вместе с тем одним из самых больших препятствий на пути создания рабочего голодека во все года было то, что ученым никак не удавалось воссоздать тактильные ощущения, по крайней мере, до недавнего времени. Инженеры из Бристольского университета разработали технологию под названием UltraHaptics, которая позволяет добиться этого.

Первоначально она была разработана так, чтобы оказывать воздействие на вашу кожу, когда вы выполняете определенные жесты для управления цифровыми устройствами. Механик с грязными руками, например, могли бы использовать ее, чтобы пролистать руководство к использованию того или иного гаджета. Это немного походит на букридер от Амазон (Kindle), создающий ощущение переворачивания физической страницы во время листания читаемой пользователем книги.

Поскольку описываемая здесь технология использует звук для получения вибрации, воспроизводящей ощущение прикосновения, уровень чувствительности можно изменять. К примеру, вибрации в 4-герц ощущаются как тяжелые капли дождя, в то время как 125 герц позволяют создать иллюзию того, что вы касаетесь пены. На данный момент единственным недостатком новой разработки является то, что все эти частоты могут быть услышаны собаками, но ее создатели обещают это исправить.

На данный момент они улучшили свое устройство до такой степени, что оно позволяет получать и тактильно ощущать виртуальные фигуры по типу сфер и пирамид. Хотя это еще не означает, что оно позволяет проецировать виртуальные формы. Дело в том, что новое оборудование работает на основе сенсоров, которые исследуют вашу руку и издает на основе полученных данных соответствующие звуковые волны. В настоящее время, создаваемые таким образом объекты не имеют деталей, а иногда могут иметь неправильную форму, но разработчики уверяют, что когда их технология будет соединена с видимой голограммой, мозг человека соединит все это в одно общее изображение. Они надеются использовать свою разработку в различных продуктах, начиная от видеоигр и заканчивая устройствами, позволяющим врачам в совершенстве изучить каждый объект во время КТ-сканирования.