10 av de mest otroliga saker som vetenskapen gör med ljud

När vi tänker på teknikens framtid, tittar vi ofta över ett fält som gör otroliga framsteg-akustik. Ljudet visar sig vara en av framtidens grundläggande byggstenar. Vetenskap använder den för att göra mer coola saker än någonsin, och under de närmaste åren är det säkert att vi hörs mycket mer om det.

10Refrigeration

Ett team av forskare vid Penn State University, sponsrat av Ben och Jerry, har gjort ett kylskåp som fryser mat med ljud. Det fungerar enligt principen att ljudvågor komprimerar och expanderar luften runt dem, vilket värmer och kyler luften respektive. Normalt påverkar ljudvågorna temperaturer högst 1 / 10.000 i en grad, men mycket större effekter kan uppnås genom att gasen placeras inuti kylskåpet under mycket större tryck, cirka 10 atmosfärer värda. Den termoakustiska frysen, som den kallas, trycker gasen inuti sin kylkammare och spränger den med mer än 173 decibel ljud, vilket genererar värme. Inuti absorberar en serie metallplattor i ljudvågans väg värmen och levererar den till ett värmeväxlar system. Värmen avlägsnas och kylskåpets innehåll kyls.

Systemet utvecklades som ett mer miljövänligt alternativ till traditionella kylskåp. Till skillnad från traditionella modeller, som använder kemiska kylmedel som skadar atmosfären, fungerar det termoakustiska kylskåpet mycket bra med inerta gaser som helium. Eftersom helium bara kommer att läcka ut ur atmosfären om det släpper, gör det den nya teknologin mycket grönare än vad som för närvarande finns på marknaden. Som forskningen går framåt hoppas dess designers att termoelektroniska modeller så småningom kommer att överträffa konventionella kylskåp när det gäller tillförlitlighet eftersom de har färre rörliga delar att bryta ner.

9Uttrasonsvetsning

Ultraljudsvågor har använts för att svetsa plast tillsammans sedan 1960-talet. Det fungerar genom att komprimera två termoplastmaterial tillsammans på toppen av ett mothåll. Ultraljudsvågor matas sedan genom ett horn som vibrerar deras molekyler, vilket orsakar friktion som orsakar värme. Slutresultatet är två stycken smält ihop mycket jämt och starkt.

Liksom många tekniker upptäcktes det av misstag. Robert Soloff hade arbetat med ultraljudsfilmtätningstekniken när sonden han höll på att råka ut en Scotch tape dispenser på sitt skrivbord. Olyckan svetsade ihop dispenserns två halvor, vilket fick honom att inse att ljudvågor kunde röra sig längs hörnen och sidorna av styv plast för att nå lederna. Vid sin upptäckt utvecklade och patentade Soloff och hans kollegor vad de kallade ultraljudsstoppmetoden.

Sedan dess har ultraljudsvetsning funnit stor användning i många branscher. Från blöjor till bilar används tekniken överallt där plast måste bindas samman. Nyligen har US Navy börjat experimentera med att använda den för att göra "svetsade sömmar" för sina uniformer. Så länge kläderens material är en termoplast som nylon kan ultraljudsvetsning användas för att göra sömmar som är starkare, lättare och mer isolerande än traditionellt sysade.

Men medan klädföretag som Patagonia och Northface redan använder svetsade sömmar i sina klädstreck, är dess militära användning fortfarande bara experimentell. Tekniken används vanligtvis för raka sömmar, inte de som vrider hörn. Och det är dyrt. För närvarande är den billigaste och mest mångsidiga metoden fortfarande handsyning.

8Stealing Kreditkort Info

Forskare har hittat ett sätt att överföra data från dator till dator med hjälp av ljud ensamt. Tyvärr är de oroliga eftersom det är ett mycket effektivt sätt att överföra virus.

Säkerhetskonsulent Dragos Ruiu kom upp med tanken efter att ha märkt någonting konstigt om sin MAcBook Air: Efter att ha installerat OS X uppdaterade datorn sin startprogramvara spontant. Det hade ett mycket kraftfullt virus som inte skulle tillåta en CD-ROM-uppstart, kunde radera data och kunde göra förändringar efter behov. Även efter radering, ominstallation och omkonfigurering av hela systemet kvarstår problemet fortfarande. Den mest trovärdiga teorin för virusets uppenbara odödlighet var att den bodde i det grundläggande inmatnings- / utmatningssystemet (BIOS), vilket skulle göra att det kunde förbli trots avlägsnandeförsök. Den andra, osannolika, var att den använde högfrekventa överföringar som passerade mellan högtalare och mikrofoner för att överföra data.

Den märkliga teorin är ganska osannolik, men det visades i alla fall när ett tyskt institut hittade ett sätt att reproducera effekten. Baserat på programvara som utvecklats för kommunikation under vatten, utvecklade de en malware prototyp som skickade data över icke-nätverksbaserade bärbara datorer med bara sina högtalare. I test kan bärbara datorer kommunicera från så långt som 20 meter bort. Området kan förlängas ytterligare genom att länka infekterade enheter tillsammans i ett nätverk, som liknar Wi-Fi-repeaters.

Den goda nyheten är att akustisk överföring är extremt långsam och når bara 20 bitar per sekund. Medan det inte räcker med att överföra stora paket, räcker det med att skicka informationsutbrott som tangenttryckningar, lösenord, kreditkortsnummer och krypteringsnycklar. Eftersom nuvarande skadlig kod redan kan göra allt så snabbare och bättre, är det osannolikt att ett nytt akustiskt hot kommer att övergå när som helst snart.

7Acoustic Scalpels

Läkare använder redan ljudvågor för medicinsk behandling som ultraljud och bryter sönder njurstenar, men forskare vid University of Michigan har gjort en akustisk skalpell så bra att det kan exakt lossa en enda cell. Nuvarande fokuserad ultraljudsteknik kan bara skapa en stråle som har en brännpunkt på ungefär flera millimeter, men deras nya instrument har en noggrannhet på 75 x 400 mikrometer.

Den allmänna tekniken har funnits sedan slutet av 1800-talet, men den nya skalpellen möjliggjordes genom att använda en lins belagd i kolnanorör och ett material som kallas polydimetysiloxan för att omvandla ljus till högtrycks ljudvågor. Fokuserad noggrant, ljudvågorna skapar chockvågor och mikrobubblor som utövar tryck på mikroskopisk nivå. Det har redan testats genom att ta bort en enda äggstockscancercell och borra ett 150-micrometer hål i en artificiell njursten. Designarna hoppas att det i slutändan kan användas för att leverera droger eller för att eliminera små cancer tumörer eller plack. Det kan till och med kunna utföra dessa operationer smärtfritt eftersom strålen är så fin att det kan undvika nervceller.

6Bruk din mobiltelefon med din röst

Forskare använder nanoteknik för att skörda energi från olika källor för att generera el. Ett av deras mål är att skapa enheter som inte behöver debiteras. Nokia har i synnerhet patenterat en enhet som skördar energi från rörelse.

Och eftersom ljud bara komprimerar och expanderar gaserna i luft, vilket är rörelse, som gör det till en livskraftig energikälla. Forskare experimenterar med sätt du kan ladda din mobiltelefon helt enkelt genom att använda den - så länge du använder den för att ringa. Under 2011 använde forskare i Söul nanostavar av zinkoxid som sandwichades mellan två elektroder för att generera el från ljudvågor. Tekniken kunde generera 50 millivolt från volymen av bullriga trafik. Det räcker inte att ladda de flesta elektriska enheter, men förra året lyckades Londons ingenjörer skapa en enhet som kan producera 5 volt tillräckligt för att ladda en telefon.

Medan laddning av mobiltelefoner med ljud är bra nyheter för stora talkrar, kommer det också att påverka utvecklingsvärlden. Samma termoakustiska teknik som skapade kylskåpet kan också användas för att omvandla ljud till el. Score-Stove är en spis och kylskåp som läcker energin som används från matlagning med biomassa bränslen för att producera små mängder el, ca 150 watt. Det är inte mycket, men det räcker att ge begränsad kraft till de 1,3 miljarder människor på jorden utan tillgång till el.

5Skriva människokroppen i en mikrofon

Forskare i Disney har gjort en apparat som förvandlar människokroppen till en mikrofon. Kallade "Ishin-Den-Shin" efter det japanska uttrycket för att kommunicera genom outtalad ömsesidig förståelse, det låter någon ordlöst passera längs ett inspelat meddelande bara genom att röra en andras öra.

Enheten som de har gjort innehåller en mikrofon som är ansluten till en dator. När någon talar in i mikrofonen, lagrar datorn den som en loopad inspelning, som sedan omvandlas till en ohörbar signal som överförs även om en tråd ansluten till mikrofonen. Signalen överför från mikrofonen till kroppen hos alla som håller den, vilket ger ett modulerat elektrostatiskt fält som orsakar en liten vibration om personen berör någonting. Vibrationen kan höras om personen berör någon annans öra. Det kan även överföras från person till person till person om gruppen är i fysisk kontakt.

4Spying

Ibland skapar vetenskap något som till och med James Bond bara kunde drömma om. Forskare på MIT, Microsoft och Adobe har utvecklat en algoritm som kan läsa passiva ljud från onödiga objekt i video. Deras algoritm analyserar de märkbara vibrationer som ljudvågor gör på ytor och gör dem hörbara. Ett experiment återhämtade förståeligt tal från en påse potatischips som spelades upp 4,5 meter (15 ft) bort men ljudisolerat glas.

För bästa resultat kräver algoritmen att bildramarna per sekund ska vara högre än ljudsignalens frekvens, vilket kräver en höghastighets kamera. För mindre resultat kan det också användas med en vanlig digitalkamera för att identifiera saker som antalet högtalare i ett rum och deras kön - eventuellt ens deras identiteter. Den nya tekniken har uppenbara användningsområden för rättsmedicin, brottsbekämpning och spionkrig. Med den här nya tekniken behöver alla som behöver göra, peka på en höghastighets digitalkamera i fönstret för att kunna spela in vad som händer inomhus.

3Acoustic Cloaking

Fotokredit: pratt.duke.edu

Forskare har gjort en apparat som kan dölja föremål från ljud. Det ser ut som en bisarr pyramid full av hål, men formen ändrar bågens ljudvågor för att matcha vad de skulle se ut om de återspeglade sig från en plan yta. Om du placerar akustisk kappa över ett föremål på en plan yta, försvinner den från ljud oavsett vilken vinkel du observerar den från.

Medan det kanske inte kan hindra någon att avlyssna på en konversation från utsidan, kan den maska ​​föremål på platser där akustik är viktigt, som konserthallar. Sedan forskningen genomfördes med bidrag från den amerikanska militären har de förmodligen ett öga på något större. Det håller inte ljud i, men det har potential att dölja föremål från ljudbaserade detektionssystem som sonar. Eftersom ljudet färdas under vattnet på ett liknande sätt som genom luft kan akustisk klyvning så småningom göra ubåtar osynliga för detektering.

2Traktorbalkar

Fotokredit: Stuart Hay, ANU

I åratal har forskare försökt få teknik från Star Trek till livet, inte minst är traktorns stråle. Medan mycket forskning fokuserar på optiska traktorbalkar som använder värme för att flytta föremål, har den tekniken varit begränsad till objekt endast en bråkdel av en millimeter i bredd. Ultraljudstraktorbalkar visar dock att de kan flytta större föremål - ungefär 1 cm (4 tum). Det kan fortfarande låta lite, men den nya strålen har en miljard gånger mer kraft än tidigare modeller.

Genom att fokusera två ultraljudsbalkar på ett mål kan ett objekt dras mot strålkällan genom att studsa vågorna av det och sprida dem i motsatta riktningar. Trots att forskarna inte kunde skapa den bästa typen av våg för sin teknik (kallad en "Bessel beam") kunde de fortfarande approximera den nog för att skapa en fungerande traktorstråle. I framtiden kan tekniken användas för att rikta föremål och vätska i kroppen. Det skulle bli en stor välsignelse till medicinområdet om det börjar användas för att leverera droger till den exakta platsen där de behövs. Tyvärr för Star Trek fans kan dock inte resa i rymdvakuum, så det kommer inte att rädda några fartyg i nöd.

1Haptic Holograms

Vetenskapen arbetar också med en annan bit av Star Trek teknik-the holodeck. Även om det inte är så sofistikerat som i sci-fi-flikar är hologramtekniken inget nytt. Men en av de största hindren för att skapa en fungerande holodeck är att vetenskapen inte har lyckats replikera taktila känslor - tills nyligen. Ingenjörer vid University of Bristol utvecklar vad de kallar UltraHaptics-teknik, vilket gör just det.

Ursprungligen utvecklades tekniken för att utöva kraft på din hud när du gör gester för att styra vissa enheter. En mekaniker med smutsiga händer kan till exempel använda den för att bläddra igenom en manual. Det är lite som att ge Amazons Kindle känslan av att göra en fysisk sida.

Eftersom tekniken använder ljud för att producera vibrationer som replikerar känslan av beröring kan nivån av känsla ändras. En 4-Hertz-vibration känns som kraftiga regndroppar, till exempel, medan 125 känns som om du rör skum. För nu är den enda nackdelen att frekvenserna kan höras av hundar, men konstruktörerna säger att de kan fixa det.

De har nu avancerat sin enhet för att producera virtuella former som sfärer och pyramider. Det är emellertid inte en virtuell form som projiceras. I stället fungerar det med att använda sensorer som följer din hand och avfyra ljudvågorna på lämpligt sätt. För tillfället saknar föremålen mycket detalj och har vissa formavvikelser, men designerna säger att när tekniken matchas med ett synligt hologram kommer den mänskliga hjärnan att passa den till den övergripande bilden. De hoppas kunna använda den i en rad produkter, från videospel till enheter som låter läkare fysiskt undersöka ett objekt i en CT-skanning.