Британские инженеры представили акустофоретическую систему сортировки семян прямо на движущейся ленте конвейера. Вот как она работает.
Исследование, посвященное бесконтактной сортировке семян звуковыми волнами на конвейере («Acoustophoretic system for seed separation on conveyor belts»), было проведено командой разработчиков мультисенсорных устройств (Multi-Sensory Devices group) под руководством профессора Шрирама Субраманяна в Университетском колледже Лондона (UCL – University College London). Ведущие инженеры-разработчики: Джеймс Хардвик и Зак Морган.
Вместо оптических камер, которые часто ошибаются из-за грязи, над конвейером ученые установили излучатели ультразвука. Звуковая волна определенной частоты бесконтактно «прощупывает» плотность каждого семени на лету. Пустые, зараженные или недоразвитые семена меняют траекторию под воздействием звукового давления и автоматически отсеиваются в отдельный бункер.
Ученые использовали ультразвуковые фазированные решетки для бесконтактного перемещения и левитации семян в воздухе, успешно протестировав технологию как на стационарных стендах, так и в динамических условиях реальной конвейерной ленты.
Ультразвуковые фазированные решетки представляют собой сложные электронные панели, состоящие из десятков или сотен крошечных динамиков-излучателей (трансдьюсеров), которые работают на частотах, не слышимых человеком (обычно 40 кГц). Вместо того чтобы создавать хаотичный шум, вся эта группа динамиков управляется единым мощным микроконтроллером, превращаясь в единую систему управления звуковым полем.
Слово «фазированная» означает, что каждый микродинамик на панели включается не одновременно с остальными, а с задержкой во времени на миллионные доли секунды (микросекунды). За счет этих микрозадержек происходит физический феномен: звуковые волны от сотен излучателей накладываются друг на друга (интерферируют). В одних точках пространства они полностью гасят друг друга, а в заданной точке — резко усиливаются, формируя плотный невидимый фокус. По сути, ученые создают плотный «звуковой щит» или «акустический пинцет».
Направляя встречные волны сверху и снизу, инженеры создают так называемую стоячую волну. В ней образуются «узлы» — точки с нулевым давлением, зажатые между зонами высокого давления. Если поместить туда семечко, оно буквально повиснет в воздухе, как в невидимом гнезде, сопротивляясь силе тяжести. Далее происходит сортировка на лету. Компьютер динамически меняет задержки излучателей прямо во время работы (со скоростью тысяч раз в секунду). Фокус звукового давления начинает физически перемещаться в пространстве. Получается невидимый луч-манипулятор: он захватывает летящее по конвейеру семя звуковым давлением и плавно переносит (отклоняет) его в нужный бункер без какого-либо физического контакта.
В установке Хардвика и Моргана используются плоские панели, напоминающие печатные платы, плотно усеянные маленькими серебристыми цилиндрами (излучателями), которые направлены на зону пролета семян. Для человеческого уха система работает в абсолютной тишине, но физическая сила этого беззвучного поля достаточна, чтобы мгновенно перенаправлять потоки мелких объектов.
В ходе экспериментов Хардвик и Морган протестировали акустофоретическую сортировку на трех контрастных группах семян: пшенице, семенах томатов и рапсе. Выбор этих культур не был случайным — исследователям требовалось проверить, как звуковые волны взаимодействуют с семенами разной геометрической формы, массы и внутренней структуры.
1. Пшеница (зерновые) — тест на массу и внутренние пустоты
Пшеница имеет относительно тяжелые, плотные семена со сложной продолговатой формой и продольной бороздкой. Она является главной мировой продовольственной культурой. Ученым нужно было проверить, способна ли акустическая волна сдвинуть с траектории сравнительно тяжелый объект. Главной задачей здесь было бесконтактное обнаружение скрытых дефектов — выявление зерен, опустошенных изнутри личинками вредителей (долгоносика) или пораженных фузариозом. Звуковое давление мгновенно распознавало разницу в плотности между здоровым и поврежденным зерном.
2. Семена томатов (овощные) — тест на сложную форму и хрупкость
Семена томатов плоские, легкие, асимметричные и покрыты микроскопическими волосками (трихомами). Кроме того, они очень дорогие в производстве (особенно гибриды F1). Традиционная механическая калибровка ситами или воздушными сепараторами часто повреждает хрупкую оболочку таких семян, снижая их всхожесть. Оптические сортировщики путаются из-за ворсистой текстуры. Ультразвуковой акустофорез позволил сортировать легкие семена томатов абсолютно бесконтактно, бесконечно вращая их в звуковом поле для оценки качества без механического удара.
3. Рапс (масличные) — тест на сферичность и микроскопический размер
Семена рапса представляют собой крошечные, почти идеальные черные шарики диаметром всего 1,5–2 мм. Из-за мелкого размера и округлой формы рапс склонен хаотично и быстро катиться по конвейеру, что делает его «кошмаром» для обычных оптических камер машинного зрения.
В акустофоретической установке идеальная сферическая форма рапса, наоборот, стала преимуществом: звуковое поле смогло выстроить крошечные семена в идеальную цепочку на лету и бесконтактно отсеять недозрелые (зеленые изнутри) и сморщенные экземпляры с точностью до 99%.
Акустофоретическая система сортировки семян от инженеров Университетского колледжа Лондона на текущем этапе является экспериментальным прототипом. Разработчики пожертвовали промышленной скоростью ради достижения абсолютной точности и деликатности процесса, однако заложили потенциал для масштабирования.
В динамических тестах на конвейере система стабильно распознавала и бесконтактно отсеивала семена, расположенные на критически малом расстоянии всего 7 мм друг от друга. На текущей лабораторной установке скорость движения конвейерной ленты поддерживается на умеренном уровне, так как ультразвуковым фазированным решеткам (работающим на частоте 40 кГц) требуется доля секунды для точного фокусирования звукового луча (>5 кПа) и физического смещения семени с его траектории в воздухе.
Авторы подчеркивают, что пропускная способность может масштабироваться геометрически. Ультразвуковые излучатели можно бесконечно выстраивать в ряды по всей ширине конвейера, увеличивая объемы сортировки в разы без усложнения конструкции.
Исследование опубликовано в Nature Communications.