Учёные создали микрофон, который улавливает звук с помощью света, а не звука. В отличие от традиционных микрофонов, этот визуальный микрофон фиксирует крошечные вибрации на поверхностях объектов, вызванные звуковыми волнами, и превращает их в слышимые сигналы.
«Наш метод упрощает и удешевляет использование света для улавливания звука, а также позволяет применять его в ситуациях, где традиционные микрофоны неэффективны, например, при разговоре через стеклянное окно», — говорит руководитель исследовательской группы Сюй-Ри Яо из Пекинского технологического института в Китае. «Пока есть путь для прохождения света, передача звука не требуется».
В журнале Optics Express исследователи [описывают](https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?doi=10.1364/OE.565525) новый подход, который впервые применяет однопиксельную визуализацию для обнаружения звука. Используя оптическую установку без каких-либо дорогостоящих компонентов, они демонстрируют, что метод может восстанавливать звук, используя вибрации на поверхностях повседневных объектов, таких как листья и листы бумаги.
«Новая технология потенциально может изменить способ записи и мониторинга звука, открывая новые возможности во многих областях, таких как мониторинг окружающей среды, безопасность и промышленная диагностика», — говорит Яо. «Например, это может позволить разговаривать с человеком, застрявшим в закрытом пространстве, таком как комната или транспортное средство».
Хотя различные методы использовались для обнаружения звука с помощью света, они требовали сложного оптического оборудования, такого как лазеры или высокоскоростные камеры. В новой работе исследователи поставили перед собой задачу использовать вычислительный подход к визуализации, известный как однопиксельная визуализация, чтобы разработать более простой и дешёвый подход, который сделал бы технологию оптического обнаружения звука более доступной.
Управление формой полимеров: новое поколение адаптивных материалов
Физики из Венского университета и Эдинбургского университета показали, что даже небольшие изменения в значении pH и, следовательно, в электрическом заряде могут сдвигать пространственное расположение замкнутых кольцеобразных полимеров (молекулярных цепей) — изменяя баланс между двумя различными режимами пространственной деформации: закручивания и изгиба.
Их выводы, [опубликованные](https://link.aps.org/doi/10.1103/7fh5-frst) в Physical Review Letters, демонстрируют, как электрический заряд можно использовать для изменения формы полимеров обратимым и контролируемым образом, открывая новые возможности для программируемых, чувствительных материалов.
С такими материалами можно лучше контролировать проницаемость и механические свойства, такие как эластичность, предел текучести и вязкость. Представьте себе, что вы берёте ленту и закручиваете её пополам, прежде чем соединить концы: вы создаёте знаменитую ленту Мёбиуса — петлю с одним закручиванием и непрерывной поверхностью. Добавьте больше закручиваний, прежде чем закрыть ленту, и структура станет так называемой суперспиральной.
Такие формы распространены в биологии и материаловедении, особенно в круговой ДНК и синтетических (искусственно произведённых) кольцевых полимерах. До сих пор было неясно, можно ли и как настроить баланс между закручиванием (локальным вращением ленты вокруг её оси) и изгибом (крупномасштабным скручиванием ленты в пространстве).
Исследовательская группа поставила перед собой задачу изучить этот вопрос, используя модельную систему кольцевых полимеров, где электрический заряд — введённый через pH-зависимую ионизацию — служит внешним параметром настройки.
Чтобы изучить возможность настройки этого топологического баланса, исследователи объединили компьютерное моделирование и аналитическую теорию, чтобы изучить, как заряд влияет на конформацию суперспиральных кольцевых полимеров. В их модели каждая мономерная единица действует как слабая кислота, приобретая или теряя заряд в зависимости от значения pH окружающего раствора. Эта установка позволила постепенно накапливать заряд и показала, как молекула меняет форму в ответ.
Результаты: нейтральные полимеры принимают компактные формы, богатые изгибами. По мере увеличения заряда растёт электростатическое отталкивание — молекула движется к более вытянутым конформациям, и внутреннее распределение смещается от изгиба к закручиванию. Эти переходы плавные при низкой суперспирализации.
Однако на более высоких уровнях модель предсказывает поразительную особенность: полимер может расщепляться на сосуществующие домены, богатые закручиванием и изгибом — своего рода топологически ограниченное микрофазное разделение. Эта скрытая форма фазового сосуществования ранее не наблюдалась в таких системах.
Чтобы зафиксировать эти механизмы, исследователи разработали теорию среднего поля типа Ландау. Эта упрощённая математическая модель точно предсказывает, когда полимер претерпит непрерывное или резкое конформационное изменение — в зависимости от степени его суперспирализации и заряда.
Идея настройки не только молекулярной структуры, но и топологии открывает новые пути управления чувствительными системами. «Регулируя локальный заряд, мы можем сдвинуть баланс между закручиванием и изгибом — и это даёт нам возможность управлять формой всей молекулы», — говорит первый автор Роман Станьо с физического факультета Венского университета (в настоящее время в Кембриджском университете).
Поскольку каждый мономер может приобретать или терять заряд, полимер постепенно меняет свою форму — поведение, напоминающее реальные полиэлектролиты, такие как химически модифицированная ДНК. Команда предполагает, что синтетические ДНК-кольца с pH-чувствительными боковыми цепями — ещё не реализованные экспериментально, но теперь осуществимые благодаря недавним достижениям в химии нуклеотидов — могут демонстрировать такое контролируемое изменение формы. Эти молекулы будут действовать как топологически ограниченные каркасы, корректирующие свою форму в ответ на локальные химические условия.
Форма полимера — это не только геометрия, она определяет поток, функцию и взаимодействие. Способность обратимо переходить между состояниями, доминируемыми закручиванием и изгибом, предлагает мощную стратегию для разработки адаптивных материалов. Кольцевые полимеры, реагирующие на незначительные изменения pH, однажды могут быть использованы в микрофлюидных устройствах, где местные условия запускают контролируемые изменения формы и поведения потока.
«Что примечательно, — говорит соавтор Христос Ликос с физического факультета Венского университета, — так это то, что переход от компактных форм к вытянутым происходит постепенно, может контролироваться с помощью pH и не требует изменений в топологии молекулы».
Этот эффект, отмечают исследователи, можно реализовать экспериментально в синтетических ДНК-кольцах — возможность, предоставленная недавними достижениями в химии нуклеотидов. Их результаты также предлагают прогностическое понимание: они показывают, как функция может быть закодирована не только в химическом составе, но и в топологическом состоянии, указывая на новое поколение адаптивных материалов.
Optics Express, the researchers describe the new approach, which applies single-pixel imaging to sound detection for the first time. Using an optical setup without any expensive components, they demonstrate that the technique can recover sound by using the vibrations on the surfaces of everyday objects such as leaves and pieces of paper.”,”\”The new technology could potentially change the way we record and monitor sound, bringing new opportunities to many fields, such as environmental monitoring, security and industrial diagnostics,\” said Yao. \”For example, it could make it possible to talk to someone stuck in a closed-off space like a room or a vehicle.\””,”Although various methods have been used to detect sound with light, they require sophisticated optical equipment such as lasers or high-speed cameras. In the new work, the researchers set out to use a computational imaging approach known as single-pixel imaging to develop a simpler and less expensive approach that would make optical sound-detection technology more accessible.”,”Single-pixel imaging captures images using just one light detector—or pixel—instead of a traditional camera sensor with millions of pixels. Rather than recording an image all at once, the scene’s light is modulated using time-varying structured patterns by a spatial light modulator, and the single-pixel detector measures the amount of modulated light for each pattern. A computer then uses these measurements to reconstruct information about the object.”,”To apply single-pixel imaging to sound detection, Yao’s team used a high-speed spatial light modulator to encode light reflected from the vibrating surface. The sound-induced motion causes subtle changes in light intensity that were captured by the single-pixel detector and decoded into audible sound. They used Fourier-based localization methods to track object vibrations, which enabled efficient and precise measurement of minute variations.”,”\”Combining single-pixel imaging with Fourier-based localization methods allowed us to achieve high-quality sound detection using simpler equipment and at a lower cost,\” said Yao. \”Our system enables sound detection using everyday items like paper cards and leaves, under natural lighting conditions, and doesn’t require the vibrating surface to reflect light in a certain way.\””,”Another advantage of using a single-pixel detector to record light intensity information is that it generates a relatively small volume of data. This means that data can be easily downloaded to storage devices or uploaded to the internet in real time, enabling long-duration or even continuous sound recording.”,”To demonstrate the new visual microphone, the researchers tested its ability to reconstruct Chinese and English pronunciations of numbers as well as a segment from Beethoven’s Für Elise. They used a paper card and a leaf as vibration targets, placing them 0.5 meters away from the objects while a nearby speaker played the audio.”,”The system was able to successfully reconstruct clear and intelligible audio, with the paper card producing better results than the leaf. Low-frequency sounds (<1 kHz) were accurately recovered, while high-frequency sounds (>1 kHz) showed slight distortion that improved when a signal processing filter was applied. Tests of the system’s data rate showed it produced 4 MB/s, a rate sufficiently low to minimize storage demands and allow for long-term recording.”,”\”Currently, this technology still only exists in the laboratory and can be used in special scenarios where traditional microphones fail to work,\” said Yao. \”We aim to expand the system into other vibration measurement applications, including human pulse and heart rate detection, leveraging its multifunctional information sensing capabilities.\””,”They are also working to improve the system’s sensitivity and accuracy, while also making it portable enough for convenient everyday use. Another key goal is to extend its effective range to enable reliable long-distance sound detection.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOptica\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник