Фотоэлементы, вернее, перовскитные элементы для них, крайне важны для современной энергетики. В этом году удалось добиться 33% КПД для двухслойных фотоэлементов. Они создаются из комбинации кремния и смеси перовскитов. Тем не менее до теоретического лимита эффективности двухслойных фотоэлементов в 45% (у однослойных он составляет около 33%) ещё довольно далеко.
Кроме того, фотоэлементы деградируют со временем, что приводит к постепенному снижению эффективности преобразования световой энергии в электричество.
Структура и сочетание компонентов фотоэлементов — критический фактор для повышения эффективности. Оптимизация структуры и сочетания компонентов как раз и может приблизить учёных к тому самому лимиту, о котором говорилось выше. Обычно этим занимаются специалисты — люди. Но сейчас на помощь пришла робототехника, и работа стала гораздо более быстрой. Робот, «заточенный» под оптимизацию структуры фотоэлементов, получил название RoboMapper. Подробности — под катом.
Автоматизация процесса поиска оптимальной структуры
По словам учёных из Университета штата Северная Каролина, работа по поиску эффективного сочетания перовскитов и структуры первого слоя не только сложная, но и рутинная. Учёным приходится затрачивать много времени на поиски с последующим тестированием. Если результат не особо хороший, всё нужно начинать с начала. И так день за днём, год за годом. Фактически это метод проб и ошибок, который не очень эффективен. И речь идёт пока лишь о подборе оптимальной смеси перовскитов, чтобы в ближайшем будущем создать комплексный фотоэлемент «перовскит + кремниевая подложка» с оптимальным сочетанием компонентов и структуры материала.
Сразу напомним, что перовскит — это материал, который имеет ту же кристаллическую структуру, что и минеральный оксид кальция-титана, первый открытый кристалл перовскита. Обычно соединения перовскита имеют химическую формулу ABX3, где A и B представляют собой катионы, а X — анион, который связывается с обоими.
Для того чтобы ускорить этот процесс, команда Арама Амассяна (Aram Amassian), руководителя группы исследователей в университете, разработала роботизированную систему с применением элементов ИИ. Это не только софт, но и «железо». Робот состоит из двух частей. Первая — робот для подготовки компонентов для производства фотоэлементов. Получив набор базовых соединений и элементов, робот объединяет их в разных пропорциях и превращает в материал для фотоэлементов. Вторая — фактически принтер, который наносит готовое вещество на подложку. Ну а затем всё это тестируется.
Человек делает примерно то же самое, только размер подложки гораздо больше, чем в случае робота. А работа — медленнее. Робот же наносит смесь на чип, причём делает это очень быстро. Испытания тоже проводятся быстро — в них учёные окончательно проверяют структуру слоя и реакцию фотослоя на свет. На базе проведённых испытаний построены модели, которые позволяют увидеть изменение критически важных свойств фотоэлементов от состава. Таким образом, сейчас можно уже прогнозировать оптимальную структуру фотоэлементов, чтобы повысить КПД солнечной батареи. Учёные говорят, что иногда оптимальными по этому показателю бывают весьма неожиданные сочетания.
К слову, при помощи всё того же робота учёным удалось найти практически идеальную смесь перовскитов, которая проявляла оптимальные свойства, а также деградировала медленнее под влиянием солнечного света. Перспективы технологии
На данный момент роботизированная система RoboMapper на базе искусственного интеллекта — лишь первый этап в вопросе создания сверхэффективных фотоэлементов. Как и говорилось в первом разделе, учёные пока подбирают смесь перовскитов с максимальным КПД. Следующий этап — создание «бутерброда» из этой смеси и кремния (или другого элемента или соединения). Тем не менее первый шаг крайне важен, поскольку даёт возможность действовать очень быстро, экономя время.
Что касается двухслойных фотоэлементов, то о них мы говорим потому, что тандем «перовскит + кремний» работает весьма эффективно. Дело в том, что оба материала поглощают свет с разными длинами волн. Так, для кремния это красный и инфракрасный спектр, а для перовскита — зелёный и синий.
Перовскиты могут быть разными. Например, три года назад КПД в 27% был достигнут благодаря тому, что учёные из Австралийского национального университета поместили слой перовскитового фотоэлемента на кремниевый. И ради улучшения КПД модифицировали верхний слой, покрыв его новым материалом — n-бутиламмонием бромида, ещё одной разновидностью перовскита. Он помогает уменьшить число дефектов на поверхности активного слоя, тем самым улучшая производительность элемента.
Похожий подход примерно тогда же использовали и учёные из США, которые добились повышения КПД кремниевых фотоэлементов с 21% до 27%. Они также взяли за основу перовскитные солнечные элементы и нанесли их поверх кремниевого фотоэлемента.
Сейчас команда разработчиков из Университета штата Северная Каролина планирует провести серию экспериментов по созданию двуслойных фотоэлементов с использованием уже найденного оптимального сочетания перовскитов для первого слоя. Если всё пройдёт хорошо, в ближайшее время будет налажен выпуск новых фотоэлементов.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Ученые из Университета Пердью разработали и запатентовали метод HADAR TeX vision, который улучшает машинное зрение и его способность воспринимать окружающее пространство. Эта технология позволяет обнаруживать и определять объекты пассивно через тепловое излучение. HADAR восстанавливает текстуры и глубину даже в условиях ограниченной видимости, превращая тьму в ясное изображение. Его можно применять в автоматизированных транспортных средствах и роботах.
Традиционные активные сенсоры, такие как LiDAR (лазерное обнаружение и измерение), радар и сонар, испускают сигналы, а затем принимают их для сбора трехмерной информации о пространстве. У этих методов есть недостатки, которые проявляются при масштабировании, например, помехи сигнала и опасности для здоровья глаз человека. В сравнении с этими методами, видеокамеры, которые работают на основе солнечного света или других источников освещения, имеют преимущества. Но серьезным препятствием остаются условия слабой освещенности — ночное время, туман или дождь.
Традиционное тепловидение — это полностью пассивный метод обнаружения, который собирает невидимое тепловое излучение, исходящее от всех объектов в пространстве. Но некоторые фундаментальные проблемы препятствуют его использованию сегодня.
«Предметы и окружающая среда постоянно испускают и рассеивают тепловое излучение, что приводит к созданию изображений без текстур. Это называется „эффект призрака“. Тепловые снимки лица человека показывают только контуры и некоторые различия в температуре, они не содержат деталей, что и делает их похожими на призраков. Эта потеря информации, текстур и особенностей становится проблемой для машинного распознавания на основе теплового излучения», — объяснил научный сотрудник и один из разработчиков Фанглин Бао.
HADAR объединяет теплофизику, инфракрасное изображение и машинное обучение. Благодаря этому датчик способен восстанавливать текстуру из зашумленных тепловых сигналов и точно разделять температуру, излучательность и текстуру всех объектов в пространстве. Он способен видеть текстуру и глубину даже в условиях ограниченной видимости, как будто это день, а также воспринимать физические характеристики, выходящие за пределы стандартных видимых изображений (RGB) или традиционного теплового зондирования.
Команда протестировала зрение HADAR TeX в ночном бездорожье. HADAR преодолел «эффект призрака» и восстановил мелкие текстуры — водную рябь, морщины коры, траву и водопропускные трубы.
Но и у этого устройства есть недостатки. Нынешний датчик большой и тяжелый, поскольку алгоритмы HADAR требуют многоцветного невидимого инфракрасного излучения. Чтобы применить устройство к беспилотным автомобилям или роботам, нужно сделать его меньше и доступнее по цене, а также ускорить работу камер. Сейчас сенсор создает одно изображение в секунду, но для автономных автомобилей нужна скорость съемки от 30 до 60 кадров в секунду (герц) для плавной работы системы.
Технология HADAR TeX vision должна найти применение в автоматизированных транспортных средствах и роботах, которые работают в сложных условиях и взаимодействуют с людьми. Однако данная технология может быть также адаптирована для использования в сельском хозяйстве, обороне, геолого-геофизических исследованиях, здравоохранении и наблюдении за дикой природой.
Источник: https://hightech.plus/

В октябре НАСА запустит зонд «Психея» к металлическому астероиду на расстоянии 500 миллионов километров от Земли. Он будет нести на борту новую систему лазерной связи, которая обещает революционизировать миссии в дальнем космосе.
Человечество совершило замечательные скачки с начала космической эры, побывав вблизи каждой планеты в Солнечной системе и даже отправив автоматические космические корабли в межзвездное пространство. Но эти замечательные миссии все еще сдерживаются особенностями радиосвязи.
Полагаясь на старомодные радиосистемы X-диапазона, пилотируемые и роботизированные миссии страдают от пропускной способности и скорости передачи, которые смехотворно малы и медленны. Отправка одного изображения с высоким разрешением с орбитального аппарата НАСА Mars Reconnaissance Orbiter может занять полтора часа, а загрузка данных облета Плутона космическим кораблем New Horizons заняла 16 дней.
В свете этого НАСА экспериментировало с использованием лазеров, чтобы не только создать гораздо более быструю прямую связь между космическими миссиями и Землей, но и освободить сеть дальнего космоса (DSN) антенн для более важных задач, чем рутинная связь.
Последним из этих экспериментов является проект НАСА Deep Space Optical Communications (DSOC), который включает установку лазерного приемопередатчика ближнего инфракрасного диапазона на борту космического корабля Psyche. Цель демонстрации — не только увидеть, как система работает на расстоянии сотен миллионов миль, но и изучить, как оптимизировать работу двух наземных станций в Южной Калифорнии и компенсировать мешающие силы.
При работе DSOC увеличит поток данных в 10–100 раз благодаря телескопу с апертурой 22 см, оснащенному никогда ранее не использовавшейся камерой для подсчета фотонов, а также подсистемой для автономного сканирования и фиксации на высоких частотах. Паломарская обсерватория в округе Сан-Диего, Калифорния, которая находится примерно в 130 км к югу от Столовой горы, будет действовать как канал связи. Кроме того, новая система распорок будет гасить вибрации космического корабля, чтобы лазер оставался зафиксированным на удаленной цели.
Между тем, телескоп Хейла в Паломаре будет использовать блок детектора одиночных фотонов из сверхпроводящей нанопроволоки с криогенным охлаждением, который, как следует из его названия, может обнаружить даже одиночный фотон лазера. Из-за огромного расстояния, которое нужно преодолеть частицам, оба конца системы должны компенсировать изменение положения Земли и «Психеи» в течение десятков минут, необходимых для прохождения сигнала между ними.
Источник: https://www.techinsider.ru

Российские физики нашли способ использовать лазеры для излучения сразу двух цветов. Российские учёные обнаружили, что лазеры с квантовыми точками, встроенными в микродиски, могут генерировать свет на разных частотах даже при высоких температурах. Это означает, что эти лазеры могут передавать больше данных на фотонных чипах в будущем. Исследование проводилось на НИУ ВШЭ.
Микродиски с квантовыми точками позволяют лазерам работать на разных длинах волн, например, на красной и оранжевой. Это открывает новые возможности для кодирования передаваемой информации. Учёные изучили свойства таких лазеров при разных температурах и размерах микродисков. Оказалось, что размер микродиска влияет на рабочую температуру лазера — чем он меньше, тем хуже он работает при высоких температурах.
Исследователи вывели уравнения, которые помогут оптимизировать размеры и свойства микродисков для разных типов микроэлектроники и фотонных аналогов. Это может ускорить разработку новых систем связи и вычислительных устройств. Микродиски с квантовыми точками могут стать важным шагом в будущем развитии технологий.
Источник: https://www.ferra.ru/

Специалисты по прикладной химии из США разработали новый, стабильный фотомеханический материал, способный трансформировать энергию света в механическую работу без выделения тепла или электричества. Разработка открывает инновационные возможности производства энергоэффективных, беспроводных и дистанционно управляемых систем для робототехники, космонавтики или биомедицины.
Материал, созданный в Университете Колорадо в Боулдере, состоит из крошечных органических кристаллов, которые под действием света начинают сгибаться. Приводы, изготовленные из этих кристаллов, могут стать альтернативой соленоидам с возможностью беспроводного управления или питания роботов или транспортных средств. А повышение эффективности прямого преобразования света в работу позволяет избежать громоздких систем управления теплом и тяжелых электронных компонентов.
Отличие этих кристаллических приводов от тех, которые создавались ранее, в том, что они быстрее реагируют на свет, дольше служат и могут поднимать в процессе разгибания более весомый груз. Когда материал под действием света меняет форму, он действует как мотор или привод, сгибая или поднимая объекты намного большего веса. Например, полоска кристаллов массой 0,02 мг поднимает нейлоновый шарик массой 20 мг, то есть в 1000 раз больше.
При создании материала были использованы массивы органических кристаллов внутри полимеров с губчатой структурой. Выросшие внутри пор размером в несколько микрон кристаллы обладают высокой долговечностью и эффективностью в производстве электроэнергии под действием света. Их гибкость и простота формовки делают их пригодными для широкого применения, пишет Phys.org.
В дальнейшем ученые собираются поработать над управлением движением материала. Сейчас он может становиться только плоским или изогнутым. Также они планируют повысить эффективность кристаллов, увеличив объем выходящей механической энергии по сравнению с энергией света на входе.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

В новом исследовании ученые собрали образцы ткани сердца у 15 человек во время операций, а также образцы крови до и после операции у половины участников. Затем команда проанализировала биоматериал с помощью прямой лазерной визуализации в инфракрасном диапазоне и идентифицировала частицы размером от 20 до 500 микрон из восьми типов пластика, включая полиэтилентерефталат, поливинилхлорид и полиметилметакрилат.
Ученые из Столичного медицинского университета Китая (CUMS) обнаружили частицы микропластика в тканях сердца человека. Исследование опубликовано в журнале ACS Environmental Science & Technology.
Микропластик — это фрагменты пластмасс менее пяти миллиметров. Научные работы показали, что они могут проникать в организм человека через рот, нос и другие полости тела, связанные с внешним миром. Но данные о внутренних органах, которые не подвергаются непосредственному воздействию окружающей среды, все еще ограничены.
Анализ выявил от десятков до тысяч отдельных частиц микропластика в большинстве образцов тканей, причем количество и материалы различались между участниками.
Хотя в исследовании участвовало небольшое количество участников, работа предоставила предварительные доказательства того, что различные микропластики могут накапливаться и сохраняться в сердце и его внутренних тканях.
Кроме того, количество микропластика увеличивалось после операции. Исследователи считают, что инвазивные медицинские процедуры — это упущенный путь накопления микропластика, и призывают к более тщательному изучению влияния этих частиц на здоровье людей.
Источник: https://www.gazeta.ru/

Ученые из России, Германии и Испании сделали уникальное открытие. Они показали, как можно одновременно воздействовать на поверхность фемтосекундным лазерным излучением и покрыть ее наночастицами благородных металлов.
Фемтосекундный лазер излучает свет с очень короткими импульсами. Они имеют очень высокую пиковую мощность и способны воздействовать на материалы без теплового повреждения. Фемтосекундный лазер может использоваться для создания наноструктур на поверхности различных материалов, таких как металлы, полимеры, керамика и др.
Кратко процесс проходит так: подложка из кремния облучается фемтосекундным лазерным излучением. В этом случае длина одного импульса, порции излучения, составляет несколько фемтосекунд. Для сравнения, например, атом в молекуле совершает одно колебание за время от 10 до 100 фемтосекунд. Облучение таким лазером происходит через раствор, содержащий соединения благородных металлов (серебра, платины, палладия). На последнем этапе такие гибридные наноструктурированные платформы тестируются в качестве индикатора реакции димеризации, а эффективность этого процесса отслеживается in situ — спектрально с помощью метода поверхностно усиленной рамановской спектроскопии, который широко применяется в химии, — младший научный сотрудник кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Евгения Хайруллина.
Наночастицы благородных металлов, таких как золото, серебро, палладий или платина, размером от 1 до 100 нанометров обладают уникальными оптическими, электрическими и каталитическими свойствами, которые зависят от их размера, формы и состава. Они могут усиливать или изменять световые поля на своей поверхности или вблизи нее.
Для создания наноструктурированной поверхности с равномерно распределенными наночастицами благородных металлов ученые использовали соли и комплексы этих металлов, которые наносили на поверхность в виде тонкого слоя. Затем они облучали поверхность фемтосекундным лазером при определенных параметрах. Ключевое отличие данной работы — то, что химикам СПбГУ удалось разработать одностадийный процесс: происходило параллельно лазерное испарение слоя металла и формирование периодических субмикронных структур на поверхности.
Эти структуры имеют размеры менее одного микрометра и называются LIPSS (laser induced periodic surface structure — лазерно-индуцированная периодическая структура поверхности). Они образуются из-за интерференции лазерного излучения с его отражением от поверхности или с плазмонными волнами на наночастицах. LIPSS усиливают локальные световые поля и способствуют дальнейшему образованию и осаждению наночастиц на поверхности.
В результате получается сложная наноструктура, состоящая из LIPSS и наночастиц благородных металлов. Подобная наноструктура имеет ряд преимуществ, таких как повышенная чувствительность к свету, улучшенная электропроводность и каталитическая активность. Эти свойства могут быть использованы для создания высокоэффективных устройств, применяемых в оптике и энергетике, в частности датчиков, накопителей энергии, светоизлучающих и оптоэлектронных устройств.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Российские ученые синтезировали два новых флуорофора, с помощью которых можно эффективно выявлять присутствие ртути в воде и взрывчатых веществ в воздухе. В качестве исходного вещества химики использовали полиэтиленгликоль — широко распространенный материал, который применяется, к примеру, как основа для изготовления мазей и элемент моющих средств.
Выбор полиэтиленгликоля продиктован тем, что он также выступает типичным компонентом многих комплексообразующих молекул, в том числе для улавливания катионов металлов и нитровзрывчатых веществ. Полиэтиленгликоль дополнительно модифицировали фрагментами ацетилена, что открыло возможность проведения синтеза флуорофоров путем так называемой клик-реакции азид-алкинового циклоприсоединения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России. Статья с результатами опубликована в журнале Molecules.
«В качестве самого простого катализатора клик-реакции мы использовали медный купорос в присутствии аскорбиновой кислоты, так как известно, что добавление одновалентной меди приводит к тому, что реакция ускоряется и протекает легко, при комнатной температуре, атомная эффективность достигает 100 процентов, и в результате образуется только один продукт», — комментирует Игорь Ковалев, руководитель исследовательской группы по созданию сенсорных материалов, ведущий научный сотрудник Лаборатории перспективных материалов, зеленых методов и биотехнологий УрФУ.
Клик-реакции направлены на быстрое, производительное и надежное получение химических продуктов путем присоединения друг к другу различных элементов. При этом в создании финального продукта задействован максимум атомов реагентов, то есть атомная эффективность стремится к стопроцентной, а количество побочных продуктов, требующих последующей утилизации, напротив, — к нулю. Таким образом, клик-реакции не только продуктивны и экономичны, но и экологичны и соответствуют принципам «зеленой химии».
Форму новых флуорофоров ученые подсмотрели у южноамериканских пастухов и охотников. Структурно новые соединения похожи на бола (болас, болеадорас) — метательное приспособление, состоящее из веревки с грузами на обоих концах и предназначенное для поимки животных. В структуре флуорофоров полиэтиленгликоль служит перемычкой между молекулами гетероциклических соединений триазола и оксадиазола. Это повышает отклик и свечение флуорофоров.
«В ходе исследований мы убедились, что наши флуорофоры активно излучают поглощенную световую энергию, квантовый выход приближается к предельным показателям. В присутствии взрывчатых веществ, таких как 2,4-динитротолуол и 2,4,6-тринитротолуол (тротил), свечение флуорофоров гасится, причем структура бола способствует тому, что интенсивность их отклика на взрывчатые вещества удваивается. Дело в том, что при определенных внешних условиях такая структура способна сложиться пополам, ее концы, в данном случае молекулы триазола и оксадиазола, сближаются, и проникающая между ними молекула взрывчатого вещества одновременно гасит оба фрагмента, эффективность тушения флуоресценции возрастает вдвое», — объясняет Игорь Ковалев.
По его словам, благодаря структуре бола и присутствию в ней полиэтиленгликоля синтезированные флуорофоры распознают даже тетранитропентаэритрит (ТЭН) — мощное взрывчатое вещество, используемое в составе пластических взрывчаток. ТЭН отличается слабой летучестью, плохо переходит в паровое состояние и поэтому улавливается с трудом.
«Чтобы решить эту проблему, мы использовали ТЭН в виде раствора. В этом состоянии он успешно взаимодействовал с нашими флуорофорами, вызывая их гашение», — рассказывает Игорь Ковалев.
Более того, и полиэтиленгликоль, и триазол с оксадиазолом хорошо взаимодействуют с ртутью. Как показали эксперименты, она даже при низкой концентрации и в присутствии других металлов — меди, кобальта, кадмия, олова, цинка, никеля и марганца — вызывает резкое гашение синтезированных флуорофоров. Поэтому их можно применять в качестве высокочувствительных селективных хемосенсоров этого чрезвычайно токсичного и опасного загрязнителя природы.
В исследованиях приняли участие сотрудники Института органического синтеза имени И. Я. Постовского УрО РАН, Уральского государственного медицинского университета, Санкт-Петербургского государственного университета, Российского университета дружбы народов. Детектирование взрывчатых и токсичных веществ с помощью хемосенсоров — один из наиболее удобных методов их распознавания. Заметными преимуществами флуоресцентных технологий являются их простота, мобильность, экономичность, оперативность, возможность точной структурной настройки хемосенсора для повышения его селективности и улучшения отклика на детектируемые вещества.
Источник: https://naked-science.ru/

Ученые из Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН) совместно с компанией «Новбиотех» разработали беспилотный летательный аппарат (БпЛА) и модуль для лазерного облучения в автоматическом режиме сельхозугодий. Эксперименты по применению такой системы на многолетних травах, используемых в качестве корма для животных, показали значительное повышение продуктивности определенных культур.
«Мы успешно завершили проект по лазерному стимулированию сельскохозяйственных культур с целью повышения их продуктивности. Для этого был создан специальный комплекс, который состоит из разработанного нами летательного аппарата с лазерной установкой. Созданный в нашей лаборатории программно-аппаратный комплекс позволяет дрону задать все необходимые параметры для составления маршрута, настроить параметры облучения, чтобы он мог обрабатывать участок сельхозугодий автономно», — рассказывает руководитель лаборатории автономных робототехнических систем Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН (СПИИРАН — входит в СПб ФИЦ РАН) Антон Савельев.
Эксперименты проходили на участке площадью до 1 гектара (однако при необходимости дрон может обрабатывать поля различной площади и ландшафта). На поле были высажены многолетние травы отечественной селекции, которые используются в качестве корма сельскохозяйственных животных. Дрон облучал культуры с высоты около 10 метров лазерным следом 0,5х0,5 метра: на один такой участок требовалось четыре секунды.
«На основе карты местности и наших алгоритмов формируется маршрут для выполнения задачи по облучению указанного участка. Кроме того, мы разработали формулу, которая связывает параметры лазера, время облучения и высоту полета БпЛА», — поясняет Антон Савельев.
«Само по себе лазерное излучение напрямую не повышает продуктивность культур. Однако в ночное время фоторецепторы вегетирующих частей растений способны воспринимать свет красного спектра, они трансформируют его и передают сигнал внутрь клетки, запуская каскадный механизм синтеза хлорофилла. При этом активируется синтез глюкозы — основного источника энергии, что в итоге приводит к увеличению процессов синтеза веществ», — рассказывает доктор наук, учредитель компании «Новбиотех» Наталья Севостьянова.
«За счет этого мы добиваемся изменений в характеристиках культур: в их биомассе, а также в конечных содержащихся в них элементах. В основном это белки и углеводы. Причем количество белков может повышаться до 5-7%, а количество углеводов может возрасти на 100%. Увеличение биомассы — от 8 до 10%», — уточняет исследователь.
Разработкой комплекса для повышения продуктивности растений с помощью лазера ученые СПб ФИЦ РАН занимались совместно с индустриальным партнером — компанией «Новбиотех». В дальнейшем исследователи планируют применить свою технологию на других видах растений. В частности, уже были проведены эксперименты на картофеле, однако пока результаты этой работы проходят обработку.
Данный проект был создан и развивается при поддержке «Фонда Содействия Инновациям», он вошел в топ-100 проектов проектно-образовательного интенсива «Архипелаг 2121» и получил одобрение губернатора Новгородской области.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Для большинства людей получение ультразвука является относительно простой процедурой: когда лаборант осторожно прижимает датчик к коже пациента, звуковые волны, генерируемые датчиком, проходят через кожу, отражаясь от мышц, жира и других мягких тканей, прежде чем вернуться обратно к коже. зонд, который обнаруживает и переводит волны в изображение того, что находится под ними.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института придумали альтернативу обычному ультразвуку, который не требует контакта с телом, чтобы заглянуть внутрь пациента. В новом лазерном ультразвуковом методе используется безопасная для глаз и кожи лазерная система для удаленного изображения внутренних органов человека. При обучении на коже пациента один лазер дистанционно генерирует звуковые волны , которые отражаются от тела. Второй лазер дистанционно обнаруживает отраженные волны, которые исследователи затем переводят в изображение, подобное обычному ультразвуку.
В статье, опубликованной сегодня журналом Nature в журнале Light: Science and Applications , команда сообщает о создании первых лазерных ультразвуковых изображений человека. Исследователи просканировали предплечья нескольких добровольцев и обнаружили общие особенности тканей, такие как мышцы, жир и кости, примерно на 6 сантиметров ниже уровня кожи. Эти изображения, сравнимые с обычным ультразвуком, были получены с помощью дистанционных лазеров, направленных на добровольца с расстояния в полметра.
«Мы находимся в начале того, что мы могли бы сделать с помощью лазерного ультразвука», — говорит Брайан В. Энтони, главный научный сотрудник Департамента машиностроения Массачусетского технологического института и Института медицинской инженерии и науки (IMES), старший автор статьи. . «Представьте, что мы подошли к моменту, когда мы можем делать все то же, что ультразвук, но на расстоянии. Это дает вам совершенно новый способ видеть органы внутри тела и определять свойства глубоких тканей, не вступая в контакт с пациентом».
В последние годы исследователи изучили лазерные методы ультразвукового возбуждения в области, известной как фотоакустика. Вместо того, чтобы напрямую посылать звуковые волны в тело, идея состоит в том, чтобы посылать свет в виде импульсного лазера, настроенного на определенную длину волны, который проникает в кожу и поглощается кровеносными сосудами.
Кровеносные сосуды быстро расширяются и расслабляются — мгновенно нагреваются лазерным импульсом, а затем быстро охлаждаются телом до исходного размера — только для того, чтобы снова поразиться другим световым импульсом. Возникающие в результате механические вибрации генерируют звуковые волны, которые распространяются обратно вверх, где они могут быть обнаружены датчиками, размещенными на коже, и преобразованы в фотоакустическое изображение.
В то время как фотоакустика использует лазеры для дистанционного зондирования внутренних структур, этот метод по-прежнему требует детектора, находящегося в прямом контакте с телом, чтобы улавливать звуковые волны. Более того, свет может проникнуть в кожу только на небольшое расстояние, прежде чем исчезнуть. В результате другие исследователи использовали фотоакустику для изображения кровеносных сосудов непосредственно под кожей, но не намного глубже.
Поскольку звуковые волны проникают в тело дальше, чем свет, Чжан, Энтони и их коллеги искали способ преобразовать свет лазерного луча в звуковые волны на поверхности кожи, чтобы получить изображение глубже в теле.
Основываясь на своих исследованиях, команда выбрала лазеры с длиной волны 1550 нанометров, длина волны которых сильно поглощается водой (и безопасна для глаз и кожи с большим запасом прочности). Поскольку кожа в основном состоит из воды, команда пришла к выводу, что она должна эффективно поглощать этот свет, нагреваться и расширяться в ответ. Когда кожа возвращается в нормальное состояние, она сама должна производить звуковые волны, которые распространяются по всему телу.
Исследователи проверили эту идею с помощью лазерной установки, используя один импульсный лазер, настроенный на 1550 нанометров, для генерации звуковых волн, а второй непрерывный лазер, настроенный на ту же длину волны, для дистанционного обнаружения отраженных звуковых волн. Этот второй лазер представляет собой чувствительный детектор движения, который измеряет вибрации на поверхности кожи, вызванные звуковыми волнами, отражающимися от мышц, жира и других тканей. Движение поверхности кожи, создаваемое отраженными звуковыми волнами, вызывает изменение частоты лазера, которое можно измерить. Механически сканируя тело лазерами, ученые могут собирать данные в разных местах и создавать изображение региона.
Исследователи впервые использовали новую установку для изображения металлических объектов, встроенных в желатиновую форму, примерно напоминающую содержание воды в коже. Они визуализировали один и тот же желатин с помощью коммерческого ультразвукового датчика и обнаружили, что оба изображения воодушевляюще похожи. Они перешли к изображению вырезанной ткани животного — в данном случае кожи свиньи — где они обнаружили, что лазерный ультразвук может различать более тонкие черты, такие как граница между мышцами, жиром и костями.
Наконец, команда провела первые эксперименты с лазерным ультразвуком на людях, используя протокол, одобренный Комитетом Массачусетского технологического института по использованию людей в качестве экспериментальных объектов. После сканирования предплечий нескольких здоровых добровольцев исследователи получили первые полностью бесконтактные ультразвуковые изображения человека с помощью лазера. Границы жира, мышц и тканей четко видны и сопоставимы с изображениями, полученными с помощью коммерческих контактных ультразвуковых датчиков.
Исследователи планируют усовершенствовать свою технику и ищут способы повысить производительность системы, позволяющую различать мелкие детали в тканях. Они также стремятся улучшить возможности детекторного лазера. В дальнейшем они надеются миниатюризировать лазерную установку, чтобы однажды лазерный ультразвук можно было использовать в качестве портативного устройства.
Источник: https://phys.org/