Создан сверхминиатюрный микрофон, обладающий высочайшей чувствительностью, идея конструкции которого взята из живой природы
Исследователи из Техасского университета в Остине разработали и изготовили опытный образец крошечного микрофона, обладающего сверхвысокой чувствительностью и высокими значениями ряда других характеристик. Это стало возможным благодаря тому, что идея конструкции этого микрофона была почерпнута исследователями из живой природы, если быть более точным, то конструкция микрофона скопирована со строения слухового аппарата уникального насекомого, мухи вида Ormia ochracea. Подобные микрофоны могут быть использованы для создания матриц акустических датчиков, способных не только зарегистрировать сам звук, но и определить направление звука, что, в свою очередь, может быть применено в конструкции смартфонов и слуховых аппаратов следующего поколения.
Желтая муха Ormia ochracea, являющаяся первоисточником конструкции микрофона, является уникальным насекомым, имеющим самый острый слух среди всех известных людям насекомых. За счет уникального строения органов слуха, разнесенных на расстояние в два миллиметра, она способна очень точно определить направление на источник звука, что используется для ориентации насекомого в пространстве. Звуку, для того, чтобы пройти расстояние между органами слуха мухи Ormia ochracea, требуется всего 4 миллионных доли секунды, Но высокочувствительные "качели" слухового аппарата насекомого, реагирующие на изменение давления, способны уловить даже столь маленькую разницу во времени.
Устройство, созданное техасскими исследователями, имеет размер около 2 миллиметров. Это, конечно, значительно больше размеров устройства, которое можно считать самым маленьким микрофоном в мире, тем не менее, все параметры нового миниатюрного микрофона во много раз превышают аналогичные параметры микрофона-рекордсмена. В конструкции нового микрофона имеются элементы из пьезоэлектрического материала, которые преобразуют энергию движения прямо в электрическую энергию. А источником движения, точнее механического напряжения являются "качели", аналогичные главному элементу слухового аппарата мухи Ormia ochracea, только изготовленные из кремния.
Следует заметить, что пьезоэлектрические элементы микрофона вырабатывают достаточно высокое электрическое напряжение, потенциала которого достаточно для прямой стимуляции нервных окончаний слухового нерва. Это позволит создать сверхминиатюрные слуховые аппараты, которые будут имплантироваться прямо в ухо человека, заменяя собой всю нежную конструкцию среднего уха слухового аппарата человека. Кроме этого, такие устройства не будут нуждаться в дополнительном источнике энергии.
"Синтез специального высокочувствительного механизма, превращающего звуковые колебания в механическое перемещение, с пьезоэлектрическими элементами является самой привлекательной чертой нашей технологии" - рассказывает Нил Холл (Neal Hall), профессор из Техасского университета, - "Эта черта позволит нам минимизировать расход энергии, что является бичом современных технологий изготовления миниатюрных слуховых аппаратов".
С учетом того, что работы по созданию нового миниатюрного микрофона финансировались Управлением перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA, слуховые аппараты станут последними из ряда устройств, в которых будет использована новая технология. В первую очередь новые микрофоны найдут применение в системах "акустического" видения, обеспечивающих получение картинки в условиях, где не работают обычные визуальные методы, и в других системах так называемого двойного назначения.
Ученым удалось заснять процесс функционирования 80 тысяч нейронов головного мозга живого организма
На видеоролике, представленном ниже, можно увидеть процессы деятельности около 80 процентов нейронов, из которых состоит мозг малька рыбы-зебры. Деятельность нейронов является реакцией на внешние раздражители, а для съемки этой деятельности ученые из Медицинского института Говарда Хьюза использовали достаточно новую технологию, называемую послойным оптическим сканированием (light-sheet imaging), которая позволяет запечатлеть происходящие процессы с беспрецедентным уровнем детализации.
Для организации съемки процессов деятельности нейронов ученые использовали генетически спроектированных мальков рыбы-зебры. Проведенная генетическая модификация затронула именно нейроны головного мозга живого организма, которые получили химические индикаторы, обретающие флуоресцентные свойства спустя десятую долю секунды после активизации нейрона. Широкий лазерный луч, сфокусированный на определенном уровне и перемещающийся с достаточно высокой скоростью, заставляет светиться нейроны, которые только что находились в активном состоянии. Благодаря тому, что тело и мозг малька рыбы-зебры полностью прозрачны, камера, установленная сверху, может зафиксировать изображения нейронов, из которых затем "сшивается" динамическая трехмерная модель.
В начале ролика рыба-зебра находится в полном покое и крайняя правая область ее мозга, отвечающая за обработку визуальной информации, "вспыхивает" крайне редко. Но, используя проецируемые изображения движущихся квадратов, ученые создали иллюзию того, что рыба дрейфует назад. Практически моментально начинается бурная деятельность в визуальной части мозга, затем она распространяется и на другие участки мозга, после чего электроды, внедренные в тело рыбы, начали фиксировать картину, соответствующую совершению плавательных движений телом рыбы.
Следует отметить, что для получения этого ролика было затрачено огромное количество ресурсов распределенной вычислительной системы Apache Spark. Вся проблема заключается в том, что один временной "срез", грубо говоря, кадр ролика, длительностью около 1.5 секунд, занимает объем более 1 терабайта данных и для составления динамической модели компьютеру потребовалось "перелопатить" огромный объем данных.
Моделирование производилось при помощи программного комплекса Hadoop MapReduce, основанного на алгоритмах, подобных алгоритмам поиска, используемым компанией Google. Программный комплекс Hadoop MapReduce достаточно прост в работе и обладает всеми необходимыми функциями, однако, он загружает с диска весь набор данных заново в начале каждой операции. Эта проблема решилась за счет совершенной системы кэширования системы Apache Spark, которая хранит в оперативной памяти компьютеров системы все наиболее часто используемые данные, и это позволило ускорить процессы расчетов буквально в десятки раз.
Кроме вышеупомянутого комплекса Hadoop MapReduce ученые использовали собственную библиотеку аналитических инструментов Thunder, которая доступна для свободного использования сообществом ученых-нейробиологов.
Напомним нашим читателям, что в прошлом году эта же группа ученых занималась съемкой процессов деятельности нейронов мозга рыбы-зебры. Но использовавшаяся тогда технология, в которой был задействован специализированный микроскоп, не могла обеспечить, ни отображения деятельности отдельного нейрона, ни высокой разрешающей способности.
Источник: tehnowar.ru.
Свежие комментарии