Ученые впервые записали звуки и передвижение таракана при помощи оптоволокна
Оптическое волокно способно воспринимать звуки и вибрации различной частоты. Благодаря этому на его основе создаются распределенные акустические датчики — DAS-системы. Это делает их полезным инструментом в разведке, транспортировке и переработке нефти и газа, а также в отслеживании состояния конструкций и охране периметров. Последние исследования открывают новые перспективы этой технологии в области сельского хозяйства и биологии для мониторинга растений и локализации вредителей. Так, науке уже известна способность DAS-систем находить признаки заражения деревьев личинками насекомых на ранних стадиях развития. Ученые Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН впервые успешно записали акустические сигналы и определили местонахождение одного отдельного насекомого — мадагаскарского шипящего таракана.
Исследование открывает потенциал оптоволоконной технологии для раннего обнаружения вредителей в сельском хозяйстве по их акустическим следам и для отслеживания изменений в экосистеме.
Статья с результатами опубликована в журнале Sensors. Исследование выполнено в рамках государственных заданий и при поддержке Российского научного фонда.
Воздействие звука или вибрации на оптическое волокно вызывает изменения в световом сигнале, распространяющемся по нему. Эти изменения регистрируются и преобразуются в данные о местоположении и характере события. Получая информацию об этом, специалист может выявить утечку нефти, движение техники или начало разрушения здания.
Однако в области сельского хозяйства такая технология еще не получила широкого распространения, но имеет большой потенциал в вопросах раннего обнаружения вредителей на крупных плантациях, отслеживания миграции животных и насекомых и выявления изменений в окружающей среде.
Научное сообщество уже получило положительный опыт в определении заражения деревьев личинками пальмового долгоносика (вредителя, уничтожающего пальмы). Оптоволоконные датчики позволили записать звуки жизнедеятельности большой колонии насекомых внутри древесины. Однако потенциал системы для обнаружения малого количества вредителей и не в звукопроводящих средах пока не исследовался.
Ученые ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха впервые изучили возможность регистрации акустического сигнала отдельного насекомого с помощью DAS вне древесной среды. В качестве объекта использовали мадагаскарского шипящего таракана, который удобен в научных экспериментах благодаря своему крупному размеру и отсутствию крыльев. В результате технология позволила не только записать издаваемый звук лишь одного насекомого, но и определить его местоположение в пространстве.
Мадагаскарские тараканы – это крупные (до 10 сантиметров) тропические насекомые, которые живут на деревьях и кустарниках. Они известны своей способностью издавать громкие шипящие звуки для защиты и коммуникации. Акустическая сигнатура шипения таракана охватывает широкий частотный диапазон (0,8–4,6 килогерц).
Для проведения эксперимента ученые ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН собрали специальную экспериментальную установку. Она включает распределенный акустический датчик, принцип действия которого основан на регистрации возмущений, вызванных внешними воздействиями по всей длине волокна.
– В качестве сенсорной платформы выступила виниловая пластинка. Мы нанесли на нее 200 метров оптоволокна по спирали и закрыли края бортиками. Это позволило создать компактный и эффективный чувствительный элемент, фиксирующий звуки и движение таракана по всей поверхности. Для записи сигнала использовали аналого-цифровой преобразователь, а для его обработки (определения местоположения, амплитуды и частоты акустического воздействия) – персональный компьютер со специально созданным программным обеспечением, – объясняет Артем Туров, ассистент кафедры общей физики ПНИПУ, младший научный сотрудник лаборатории агробиофотоники НИИСХ ПФИЦ УрО РАН.
Ученые помещали насекомое на чувствительный элемент и записывали все производимые звуки – шипение и передвижение по волокну. Ученые отмечают, что медленные движения (примерно до 1 см/с) были едва различимы без дополнительной обработки, а траектория движения таракана в основном концентрировалась возле внешнего края пластины. При этом система успешно фиксировала не только акустические колебания в воздухе от шипения, но и физический контакт ног с волокном от быстрого движения насекомого. Записанные при помощи оптоволоконного датчика данные хорошо согласуются с данными от «классического» микрофона и с данными из научных статей прошлых лет.
– Оптоволоконный датчик в нашем исследовании не только записывает звуковые волны, испускаемые тараканом, но и локализует их на плоскости. Эта работа открывает путь к распределенному мониторингу мест обитания насекомых, созданных человеком. Помимо сельскохозяйственных плантаций, уязвимых для вредителей, потенциальное применение включает в себя также мониторинг акустической картины ульев. Глобальное сокращение популяции пчел становится все более актуальной проблемой, и перспективно изучение их поведения с помощью акустического анализа. Подход, продемонстрированный нами, может значительно повысить эффективность таких исследований, внося вклад в более широкую область биоакустики и экологического мониторинга, – рассказывает Юрий Константинов, заведующий лабораторией фотоники ИМСС ПФИЦ УрО РАН.
Во время экспериментов ни один таракан не пострадал. После исследования его вернули в оптимальные условия.
Таким образом, ученые ПФИЦ УрО РАН и Пермского Политеха успешно записали акустический сигнал от одного насекомого, что является важным шагом в разработке новых областей применения оптоволоконных акустических датчиков. Чтобы применить этот метод к еще более мелким организмам, чем мадагаскарский шипящий таракан, эксперты предлагают повысить чувствительность системы и внедрить искусственный интеллект для более качественного и автоматического распознавания звуков в присутствии различных фоновых шумов.
Telegram 
Дзен 
VK Проблема непереносимости глютена затрагивает до 150 миллионов человек во всем мире. Единственный выход — полностью исключить этот компонент из рациона. Однако существующий безглютеновый хлеб практически не содержит белка и клетчатки, быстро повышает уровень сахара и черствеет. При этом существующие зарубежные рецептуры разработаны под импортное сырье и технологии, что не позволяет применять их к российскому сырью. Ученые Пермского Политеха разработали новые рецептуры безглютенового хлеба и исследовали влияние многокомпонентных мучных композиций и добавок на его качество. Они впервые в России создали смеси, в которых по сравнению с существующими отечественными аналогами в два-три раза больше белка и жиров, а углеводов — на 30-50 процентов меньше.
Швейцарские биологи выяснили, зачем обыкновенные сипухи носят демаскирующее белое оперение. В полнолуние белые хищники выстраивают траекторию полета так, чтобы отражать свет на добычу и провоцировать у грызунов реакцию оцепенения. Подобная тактика позволила белым самцам добывать больше пищи и тратить на охоту меньше времени по сравнению с их рыжими сородичами.
Система доставки грузов с орбиты Starfall может приземлить тонну груза в любое место на нашей планете. Однако вскоре на базе сверхтяжелой ракеты и корабля Starship компания Илона Маска планирует развернуть систему доставки намного большей грузоподъемности. Согласно утечкам в СМИ, ею активно интересуются американские военные.
Паразитические организмы иногда не учитывают, что сами могут оказаться целью паразита более высокого уровня. Сосредотачивая все свои силы на инфицировании и размножении, они остаются беззащитными перед агрессивным специализированным нахлебником.
Интригующие испытания высотного ракетного двигателя Raptor Vacuum для корабля Starship, верхней ступени сверхракеты Илона Маска, парадоксальны. Его работа на уровне моря уже сама по себе загадка. Ведь, по классическим представлениям, высотные двигатели на уровне моря корректно не работают. А сопло RaptorVAC на наземном стенде извергает реактивную струю без всяких признаков нарушения работы. Как такое может быть?
В нижних и верхних слоях Урана астрономы впервые зарегистрировали угарный газ и циановодород. Новые данные указали на то, что недра планеты могут быть значительно обогащены кислородом. Это открытие поможет разрешить давнюю загадку о том, сформировался ли Уран иначе, чем его ближайший сосед Нептун, или их образование шло по схожему сценарию.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно