Снимает боль и лечит опухоли: неожиданные возможности звука

Самое громкое существо на планете – горбыль, который водится в Калифорнийском заливе. По уровню шума он обошел китов и кашалотов, а ведь еще недавно эти морские млекопитающие считались рекордсменами. Раскатистые звуки, похожие пулеметную очередь, издают самцы горбыля – так они привлекают к себе пару.

"Мы проводили замеры в дельте реки Колорадо во время нереста этих рыб. И сначала мы даже подумали, что сломалось оборудование. Частоты, на которых "кричали" рыбы, достигали 190 децибел. Для человека эти звуки опасны, ведь болевой порог нашего слуха 130 децибел, а морских львов и дельфинов рыбий хор вообще способен оглушить", – говорит профессор Института морских наук Техасского университета Брэд Эрисман. 

Ученые изучают подводные звуки не только, чтобы лучше понять поведение морских обитателей. Так, российские ученые придумали, как лечить звуком и как распознавать с его помощью правду и ложь. Какие еще технологии используют звук? И как они изменят нашу жизнь? Об этом рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Как пение китов создает изображения 

Синий кит – самое крупное млекопитающее в мире. И он не просто поет, а посылает во все стороны акустические сигналы. Так киты общаются между собой и ориентируются в воде. По частоте эти звуки настолько низкие, что доходят до дна океана и проникают сквозь толщу земной коры на пять километров, а затем еще и отражаются от осадочных пород. Американские геологи научились улавливать и анализировать сигналы китов.

"Традиционные методы визуализации земной коры слишком дороги и сложны, ведь для работ нужны пневматические пушки. Мы использовали 54 сейсмографа, которые улавливали отраженные в земной коре сигналы пения китов. Благодаря тому, что слои с разными породами по-разному влияют на движение акустических волн, мы реконструировали структуру литосферы и составили карту слоев осадочных пород и базальта", – рассказал профессор Университета штата Орегон Вацлав Куна.

Только карту земной коры ученым еще придется дополнять. Одного пения китов сейсмографам не хватило, чтобы получить детальное изображение. 

Как видеокамера снимает изображение с помощью звуков  

Видеокамера без объектива – устройство, которое тоже работает благодаря отражению звуковых сигналов. Ее создал мексиканец Диего Трухильо Писанти. Техника не снимает изображение, а реконструирует его по эхолокации. Примерно так же ориентируются в пространстве летучие мыши.

"Вместо объектива у камеры – рупор. Сначала он отправляет во внешний мир звук определенной частоты, а затем улавливает отраженную разными предметами акустическую волну. После этого данные об эхе анализирует нейросеть, которую я обучал с помощью видеороликов. Она генерирует художественные изображения с учетом геолокации объекта и погоды", – объяснил создатель акустической фотокамеры.

Правда, съемка слепой камерой пока больше напоминает картины импрессионистов. До кадров высокой четкости нейросети еще далеко.  

Как распознать ложь с помощью звука 

Уже сейчас звук может поймать за руку обманщика. Этот компьютер по звуку способен определять ложь. В Москве разработали программу, которая работает как полиграф, только анализирует не пульс и давление, а вибрации человеческого голоса. Сначала искусственный интеллект задает контрольные вопросы, ответы на которые легко проверить – например, о погоде. Так программа понимает, как именно звучит правда, и создает соответствующий шаблон. Затем система сравнивает с этим шаблоном ответы на более сложные вопросы.

"Когда человек лжет, изменяется его тембр, громкость, и мы имеем возможность все это оцифровать и провести математический анализ. Важные параметры, которые мы фиксируем, это скорость ответа. Если человек отвечает с задержкой, то это говорит о какой-то эмоциональной реакции на вопрос. Если он отвечает громче, чем обычно, то же самое", – пояснил кандидат психологических наук, разработчик психотехнологии голосовой детекции лжи Максим Конобеевский.

В будущем ловить людей на вранье будут роботы. Сейчас разработчики работают над тем, чтобы внедрить алгоритм в антропоморфные машины.

Сеанс лечения звуком 

Российский врач Мария Филатова решила, что звук – отличное оружие против боли. Она разработала прибор, который за несколько минут снимает мышечный спазм.

"Берем устройство, включаем и прикладываем к той группе мышц, которая нас интересует. Устройство создает низкочастотные виброакустические колебания. Они воспринимаются человеком как мягкие и приятные, но глубокие", – говорит врач – акушер-гинеколог, основатель проекта по созданию виброакустического стимулятора.

Так выглядит сеанс лечения звуком: аппарат воздействует на источник боли акустической волной, которая проникает в ткани и блокирует передачу болевых импульсов в головной и спинной мозг.

"Болит меньше практически сразу на первой минуте, и спазмолитический эффект в среднем начинает работать примерно через 10 минут. Можем приложить к мышцам шеи, спины, ног", – отметила Мария Филатова. 

Ультразвук для лечения опухолей 

В Сколтехе разработали микрокапсулу для точечного уничтожения опухолей. Внутри защитной оборочки из полимера – наночастицы оксида железа. Это вещество способно убивать злокачественные клетки. Звук же помогает обнаружить больные клетки и отправить капсулу точно к пораженному участку.

"В чем заключается оптоакустический эффект: лазерное импульсное излучение поглощается объектом, а точнее наночастицами оксида железа, которые есть в оболочке, преобразует энергию света в тепло. Объект испытывает термоупругую деформацию и становится источником ультразвукового сигнала, который мы и детектируем", – разъяснил доктор химических наук, профессор Центра фотоники Сколковского института науки и технологий Дмитрий Горин. 

Но это только первый этап. После него ученым нужно привести капсулу с лекарством в действие, то есть открыть ее рядом с опухолью. И здесь тоже помогает ультразвук.

"Дело в том, что в нашем организме растворено достаточно большое количество газов, ультразвук вызывает осцилляцию этих пузырьков газа, увеличение их диаметра. Раскачиваясь, пузырек увеличивается в размерах до максимального диаметра, потом он схлопывается, энергия высвобождается в виде струи и ударной волны, и она открывает нашу капсулу", – отметил химик.

Докричаться до Луны 

Получается, звук позволяет получать изображение, исследовать осадочные породы и даже лечить людей, но все это только на Земле. Ведь в космосе никакого звука нет. Акустические волны просто не распространяются в вакууме. Чтобы доказать это, британец Омар Гэд даже провел эксперимент: он предложил людям докричаться до космоса. Для этого инженер записал голосовые послания за Земле и установил на стратостат динамик, который транслировал их на полной громкости. Чем выше поднимался воздушный шар, тем тише становился звук из динамика. Стратосфера его поглощала. Правда, до расстояния, когда могла воцариться абсолютная тишина, аппарат так и не долетел. Он лопнул в 30 километрах от Земли. 

Поэтому финские ученые считают, что британец ошибся, и в космосе тоже можно слышать. Главное – создать для этого подходящие условия. В Университете Йювясклюля разработали акустический коридор, который позволяет передавать звуковые волны в вакууме. 

"Для создания туннеля мы использовали пьезодатчики. Они могут превращать звук в электрическое напряжение и наоборот. Мы разместили пьезоэлементы в специальной установке друг напротив друга и разделили их зазором, размер которого был меньше, чем длина волны передаваемого сигнала. В результате звук в вакууме как бы перепрыгивал от одного элемента к другому и сохранял свою силу", – говорит профессор физики Университета Йювясклюля Илари Маасилта. 

Правда, разработчики осторожно замечают, что их эксперимент все-таки нельзя назвать прямым доказательством того, что звук может передаваться в вакууме. Но, если изобретение финнов действительно будет работать в космосе, это станет настоящим прорывом. 

О самых невероятных достижениях прогресса, открытиях ученых, инновациях, способных изменить будущее человечества, смотрите в программе "Наука и техника" с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.