Kradzieże na fali ultradźwiękowej

Naukowcy kradną! Na potęgę i bez skrupułów wykradają cudze patenty. Podczas gdy Królewska Szwedzka Akademia Nauk rozdaje Noble na prawo i lewo, złodziejski proceder kwitnie w najlepsze. Myślisz, że sonar, ultrasonograf, myjka ultradźwiękowa to pomysły genialnych okularników rodem z Oxfordu? Nic podobnego! Twórcą najważniejszych, najdoskonalszych i najbardziej przełomowych wynalazków zwykle jest… Natura!

Fala ultradźwiękowa

Nietoperze – nie tylko na wywar

Do kociołka z wrzącą wodą wrzuć sproszkowany ogon jaszczurki. Dodaj 3 liście Mandragory i tak gotuj przez 7 minut. Następnie wrzuć dwoje oczu nietoperza i na końcu kroplę krwi jednorożca.[1]

To średniowieczny przepis na eliksir energii. Całe szczęście (dla nietoperzy i naszych żołądków) dziś te skrzydlate ssaki przestały być kulinarnym przysmakiem. Wbrew starodawnym przewidywaniom okazuje się, że najcenniejszym narządem nietoperza nie są jego oczy, lecz krtań oraz uszy. To one odpowiadają za wytwarzanie i odbiór ultradźwięków.

Ultradźwięki (zwane też naddźwiękami) to fale sprężyste o częstotliwości od 16 kHz do 100 MHz. W naturze posługują się nimi niektóre zwierzęta (nietoperze, delfiny). Odbierają je nasze domowe pupile (pies, chomik), jednak same nie potrafią ich wytworzyć. Ultradźwięki występują także jako naturalny składnik szumów.

Nietoperze emitują fale, które rozchodzą się w ośrodku, a następnie (odbite od przeszkód) powracają do źródła z cennymi informacjami o otoczeniu. Dzięki temu zwierzę, chodź widzi niewiele, doskonale orientuje się w przestrzeni. Człowiek nie ma tyle szczęścia. Słyszy dźwięki o częstotliwości maksymalnie do 20 kHz. W dodatku sam nie potrafi ich wygenerować (może z wyjątkiem Bruce`a Wayne`a, skrzętnie ukrywającego się za maską Batmana). Naukowcy znaleźli jednak kilka sposobów na sztuczne wytwarzanie naddźwięków. Najważniejsze metody to:

  • Mechaniczna
  • Termiczna
  • Magnetostrykcyjna
  • Optyczna
  • Odwrócenie efektu piezoelektrycznego

Badania, pozwalające na praktyczne zastosowanie ultradźwięków, nabrały tempa na początku XX wieku. Po zatonięciu Titanica (1912 rok) i wybuchu I wojny światowej (1914 rok) nastąpiła pełna mobilizacja. Zaczęło się od obserwacji. Naukowcy spostrzegli, że kierunkowa wiązka akustyczna doskonale rozchodzi się w wodzie. Teraz wystarczyło stworzyć urządzenie, które wysyłałoby ultradźwięki (generator) i potrafiło je odebrać (odbiornik). Pomysłowe, ale czy odkrywcze?

Natura wpadła na ten sam plan i (co więcej!) zrealizowała go już 10 mln lat temu – w epoce późnego paleolitu. Mniej więcej w tym czasie delfiny zaczęły posługiwać się podwodną echolokacją. Dla człowieka to tylko enigmatyczne gwizdy, świsty, krzyki, jednak w istocie butlonosy, białuchy i inne walenie opracowały własny, złożony język. Werbalnie potrafią wyrazić strach, zaniepokojenie, radość, a nawet… przywoływać się po imieniu. Tak! Każdy delfin w momencie przyjścia na świat dostaje od stada własne, niepowtarzalne imię!

Znając tempo rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w ośrodku (w tym przypadku w wodzie), łatwo obliczyć jej prędkość zwrotną i na tej podstawie oszacować odległość od odbitych przedmiotów. Ta wiedza zaowocowała stworzeniem pierwszego na świecie sonaru. Nazwa jest akronimem od słów SOund Navigation And Ranging (nawigacja dźwiękowa i pomiar odległości). Nowe urządzenie pozwoliło bezbłędnie namierzać ławice (rybołówstwo), wraki (archeologia podwodna), okręty (marynarka wojenna) i lodowce (żegluga). Być może w przyszłości uda się je wykorzystać do eksplorowania przestrzeni kosmicznej.

Okręt podwodny

Urządzenia na fali

Co łączy nietoperza ze spawaczem, kamieniami nerkowymi oraz cellulitem? Czy myjka ultradźwiękowa i dyspergowanie zawiesin mają coś wspólnego? Jak zajrzeć w głąb materii, nie uszkadzając jej? Odpowiedzią na te wszystkie pytania są fale o częstotliwości drgań powyżej 20 kHz. Nie widzisz ich, nie słyszysz, nie czujesz, a jednak każdego dnia wpływają na Twoje życie. Nie tylko nietoperze żyją w świecie ultradźwięków. Czy tego chcemy, czy nie, ingerują one również w nasz – ludzki świat.

Widzieć to, co w środku

Jak ocenić czy materiał ma wady? W przypadku struktury zewnętrznej, nie ma z tym problemu. Możemy polegać na swoich zmysłach. Ale jak sprawdzić go „od wewnątrz”? Tutaj z pomocą przychodzą właśnie ultradźwięki. Badania mikrostruktury ciał stałych – to jedno z ich ważniejszych zastosowań. Fala soniczna wysyłana jest w głąb badanego materiału i powraca z informacją o ewentualnych pęknięciach, pęcherzach, jamach osadowych itp. Na takich badaniach od lat polega m.in. branża spawalnicza i jubilerska.

Ultradźwięki mogą odgazowywać stopy, rozdrabniać ziarna, a nawet przyspieszać tworzenie się stopów, które nie łączą się w naturalny sposób. W przypadku obróbki materiałów twardych, strzałem w dziesiątkę okazała się tzw. erozja ultradźwiękowa. Fale soniczne (tak samo jak morskie) żłobią otwory, profilują i nadają materiałom pożądane kształty.

Fala ultradźwięków w medycynie

Jeżeli ujarzmienie ultradźwięków można porównać do trzęsienia ziemi, to urządzenia soniczne będą jak potężne tsunami. Jednak fale ultradźwiękowe, w przeciwieństwie do tych oceanicznych, nie niszczą, a wręcz przeciwnie – ratują życie. Zaczęło się od wynalezienia ultrasonografu. Dziś trudno uwierzyć, że powstał on całkiem przypadkowo (przy okazji badań nad wykrywaniem wad w metalach). Rozpowszechnienie badań USG sprawiło, że diagnostyka chorób wewnętrznych wskoczyła na nowy – wyższy poziom.

Ultrasonograf (USG) w gabinecie lekarskim

Chora tkanka odbija fale ultradźwiękowe w inny sposób niż zdrowa (mówi się o tzw. współczynniku pochłaniania prędkości i odbicia fali). Dzięki temu łatwiej namierzyć zajęte przez chorobę komórki i dobrać najlepszy sposób ich leczenia, który, nawiasem mówiąc, również może być oparty o działanie fal sonicznych.

Odpowiednio dopasowana „dawka” ultradźwięków potrafi pobudzić krążenie, działa przeciwzapalnie, znieczulająco i rozkurczająco. Sonoterapia jest popularna wśród osób cierpiących na choroby zwyrodnienia stawów i kręgosłupa, schorzenia reumatyczne, neurologiczne, migreny itp. Ultradźwięki o wysokiej częstotliwości rozbijają kamienie nerkowe, leczą z zaćmy, a także… zwalczają cellulit!

Poprawiła się też wiedza ginekologiczna i położnicza. Analiza USG to dla większości z nas pierwsze badanie w życiu. Pozwala określić płeć dziecka już w 13 tygodniu ciąży. Zaspokojenie ciekawości przyszłych rodziców to tylko mały ułamek możliwości ultrasonografu. Jego głównym przeznaczeniem jest wykrywanie wad wrodzonych i genetycznych płodu. USG jest podstawowym, nieinwazyjnym badaniem prenatalnym [2]. Genetyczny sonogram płodu (czyli tzw. obrazowanie w ultrasonografii) umożliwia zdiagnozowanie chorób serca (szczególnie zastawki trójdzielnej), układu kostnego (zwyrodnień stawów biodrowych), płuc, nerek i wyleczenie ich już w łonie matki.

Chemia i farmakologia

Co powstanie z połączenia chemii i fali ultradźwiękowej? Nie trzeba zgadywać. Taka hybryda istnieje. To sonochemia. Reakcje chemiczne poddane działaniu ultradźwięków są szybsze, tańsze i bardziej ekologiczne od tych tradycyjnych, dlatego kibicują im zwolennicy tzw. zielonej chemii. Ultradźwięki wspierają dyspergowanie zawiesin i emulgacje cieczy. W dodatku myjki ultradźwiękowe, mieszadła, homogenizatory i inne urządzenia wykorzystywane w sonochemii, ograniczają powstawanie szkodliwych substancji.

Kolejne odkrycia potwierdziły tylko potencjał jaki drzemie w naddźwiękach. Skorzystała na tym farmakologia. Okazało się, że dźwięki o częstotliwości powyżej 20 kHz idealnie rozpylają leki w inhalatorach. Małe natężenie fal ultradźwiękowych pobudza bakterie i wirusy do rozmnażania (laboratoryjna hodowla), z kolei drgania o wyższej częstotliwości – niszczą je. W ten sposób udało się pozbyć wirusa wścieklizny oraz pałeczek duru brzusznego.

Czyszczenie ultradźwiękami

Jednym z najnowszych zastosowań fal sonicznych są myjki ultradźwiękowe. Te niewielkie, praktyczne urządzenia trafiły do domowego użytku dopiero ok. 1970 roku. Klasyczny oczyszczacz to przede wszystkim wanienka ultradźwiękowa oraz generator fal. Najczęściej używa się go do mycia niewielkich akcesoriów. Przedmiot (monetę, łuskę, filtr samochodowy, biżuterię itd.) wystarczy włożyć do pojemnika z wodą lub rozcieńczonym w niej surfaktantem i nacisnąć odpowiedni przycisk. Dzięki zjawisku kawitacji, fale o częstotliwości drgań ok. 40 kHz docierają do wszystkich, nawet tych najtrudniej dostępnych miejsc. Kąpiel ultradźwiękowa ma dwie podstawowe zalety: jest skuteczna i nieinwazyjna.

Klasyczna myjka ultradźwiękowa

Nietoperze zamiast psów przewodników

Kiedy wydaje się, że lista sonicznych wynalazków już się wyczerpała, naukowcy donoszą o kolejnych, rewelacyjnych okryciach. Tym razem piersi do orderu wypięli pracownicy Uniwersytetu w Leeds. Wpadli oni na genialny, bo zaczerpnięty wprost z natury pomysł. W przyrodzie część niewidomych zwierząt wykorzystuje do lokalizacji fale ultradźwiękowe. Dlaczego nie zrobić tego samego w przypadku ludzi? To pytanie stało się wielką szansą dla osób, które straciły wzrok. Laska dla niewidomych – Ultracane wysyła fale ultradźwiękowe, rozchodzące się w przestrzeni. Kiedy natrafią na przedmiot, uchwyt urządzenia wpada w drgania, informując użytkownika o ewentualnej przeszkodzie. Wynalazek przyniósł naukowcom uznanie i wdzięczność. Jednak gratulacje należą się przede wszystkim nietoperzom. Ultracane jest w istocie kopią mechanizmu echolokacyjnego.

Sonar, ultrasonograf, inhalator, wreszcie cała plejada sprzętu wykorzystywanego w laboratoriach – sonifikator, homogenizator, myjka ultradźwiękowa – wszystkie te urządzenia zostały stworzone dzięki obserwacji przyrody. Gotowe patenty latają po niebie, pływają w oceanach, żłobią podziemne korytarze. W dodatku „kudłaci, łaciaci, pręgowani i skrzydlaci” nie protestują, kiedy od czasu do czasu, jakiś zuchwały naukowiec podpatrzy budowę nóżki, oka czy czułek. Natura nie składa zażaleń na plagiatorów, a ci chętnie sięgają po jej rozwiązania. Powstała nawet odrębna dziedzina nauki – bionika lub biomimetyka (gr. bios – życie, mimesis – naśladowanie), która usiłuje przenieść zasady działania żywych organizmów do techniki.

Naukowcy kradną! Oby jak najdłużej i z jak najlepszymi efektami.

Bibliografia i przypisy:

[1] Eliksiry i tajemne mikstury, [w:] Średniowieczna medycyna <http://sredniowiecze.zdrowo.info.pl/eliksir.html>, [dostęp: 10.06.2015].

[2] A. Wojtyłko-Gołowkin, A. Wojtyłko, M. Bagłaj, Diagnostyka prenatalna wad wrodzonych, [w:] Puls Uczelni, s.27.