Почти пять тысяч лет человечество изучало свои изделия, используя только органы чувств: кузнецы прислушивались к звону дамасской стали, архитекторы Великих пирамид наощупь оценивали гладкость блоков. Исследовать рукотворные предметы, не разбирая или ломая их, мы не умели до XIX века, пока не началась история технологий неразрушающего контроля (Nondestrcutive Inspection, NDI).

Началась история неразрушающего контроля, конечно, с разрушения.

В 1854 году на фабрике в Хартфорде (Коннектикут) взорвался абсолютно новый паровой котел. Взрыв разрушил цех и унес 21 жизнь. В эпоху паровых машин котлы лопались нередко, хотя и производились с огромным запасом прочности. О существовании микротрещин и усталости металла инженерам оставалось только смутно догадываться. Взрыв в Хартфорде впервые заставил власти учредить регулярную комиссию, которая должна была инспектировать паровые котлы. Именно тогда инженеры по всему миру задумались о том, как проникнуть внутрь того, что нельзя снять и разобрать.

Последующая научно-техническая революция к середине XX века вооружила нас целым арсеналом методик неразрушающего исследования, призванных предупреждать и предотвращать самые разные беды. Среди таких методик рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ), электромагнитное излучение, компьютерная томография и даже космические лучи. О применении этих технологий в медицине, безопасности и на производстве известно много, поэтому мы решили рассказать о самых нетривиальных задачах, которые помогает решать NDI нам и нашим коллегам в других сферах.

1. Как рентген помогает 3D-печати

Если мы можем «просветить» любой предмет, то почему бы не запечатлеть его трёхмерную модель, а затем не сделать его копию? Инженеры Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) создали максимально точный рентген, который способен поставлять готовые трёхмерные модели в HD-качестве для 3D-печати — аппарат TX Lamino. Он получил название от ламинографии — технологии послойного рентгенологического исследования объектов, которая заложена в его основу.

TX Lamino «просвечивает» предмет с разных углов обзора, что помогает увидеть детали или дефекты, которые невозможно выявить, рассматривая 2D-изображение. Машина оснащена нанофокусным генератором рентгеновского излучения, то есть он может фокусировать лучи в оптической точке диаметром менее 1 мкм, а точнее, в случае TX Lamino, — 0,25 мкм. Это позволяет детально исследовать очень малые предметы. Помогает нанофокусу 4-мегапиксельная камера, которая выдаёт в четыре раза более чёткие изображение, чем у обычных рентгенов с 1-мегапиксельной камерой.

Аппарат TX Lamino. С его помощью можно создать точную 3D-модель любого предмета. Источник: Toshiba ITC


Рентген делает послойные снимки предмета, а затем объединяет их в реалистичную 3D-модель, которую можно посмотреть на мониторе в разрешении 4K. Более того, любой из фотослоев при необходимости можно изучить отдельно от других в 2D. К примеру, на слои можно «разложить» раковину моллюска.

Источник: YouTube-канал Toshiba News and Highlights

Затем модель можно превратить в реальный объект на 3D-принтере, причём его внутреннее строение будет абсолютно идентично оригиналу, даже если речь идёт, скажем, о детали двигателя с подвижными частями. К примеру, с помощью TX Lamino удалось создать полимерную копию шарикового подшипника с вращающимся кольцом.


3D-распечатка детали двигателя, сделанная с помощью TX Lamino. Источник: Toshiba


И тот самый подшипник. Источник: Toshiba ITC


И та самая раковина моллюска. Источник: Toshiba

Технология, позволяющая буквально видеть насквозь любой объект, помогает нам в Toshiba справляться и с менее оригинальными задачами, в частности — с контролем качества. Возьмём, к примеру, автомобили. Любой дефект в важных узлах и механизмах создаёт риск для жизни и здоровья людей. И далеко не все дефекты мы видим невооружённым глазом. Наши промышленные системы, объединяющие рентген и продвинутые технологии визуализации, позволяют выявить эти проблемы.

Любая металлическая болванка кажется на первый взгляд абсолютно цельной. В действительности это не так. В бракованной детали могут быть мириады воздушных пузырей, которые со временем приведут к поломке. Увидеть их можно только «под прицелом» рентгена.


Алюминиевая деталь автомобиля. Слева — рентгеновское изображение, на котором видны скопления воздушных полостей и их размер, дифференцированный по цвету. Справа — 3D-модель. Источник: Toshiba

Впрочем, пока 3D-сканеру не под силу живые существа — морскую раковину или алюминиевую болванку можно просвечивать сколько угодно, а живые организмы, особенно такие, которых нельзя вскрыть, не поломав раз и навсегда, скажем, насекомые, от частого и/или интенсивного облучения портятся.

2. Как спасти жизнь мухи-дрозофилы

У насекомых с технологиями NDI сложные отношения. Получить чёткое трёхмерное изображение мухи почти невозможно: насекомое постоянно двигается, а для качественного снимка нужен полный покой сканируемого. Помимо этого, беспозвоночные с трудом переносят большие дозы облучения, а для хорошего 3D-изображения нужно много снимков, поэтому для насекомых такая фотосессия становится смертельной. Причём даже если фотомодель переживёт съёмки, облучение негативно отразится на её росте, репродукции и продолжительности жизни, что мешает долгосрочным исследованиям.

Наши коллеги из Университета Западного Онтарио в Канаде разрешили эту проблему с помощью углекислого газа. Дело в том, что насекомые обладают способностью выживать при кислородном голодании. Их естественная реакция на недостаток кислорода — это сон, в ходе которого беспозвоночное некоторое время остаётся недвижимым.

С учётом этого был разработан такой метод NDI: фотомодели с удобством размещаются в небольшой камере округлой формы — на подложке из полистирола. Она устанавливается под источником рентгеновского излучения. Затем в камеру с насекомыми подаётся CO2, что вводит их в состояние сна.

В этот момент начинает работать компьютерный томограф (КТ), подобный тем, что используются для сканирования людей. Главной сложностью на этом этапе была настройкам КТ. Учёные всегда идут на неизбежный компромисс: чем ниже доза облучения, тем хуже качество снимка, и наоборот. Канадские учёные пришли к выводу, что для получения хороших 3D-изображений спящих насекомых достаточно излучения, которое в 80 раз слабее того, что приводит к их стерилизации. Как оказалось, взрослые мухи, колорадские жуки, гусеницы вполне справились с 7-часовым стресс-тестом на гипоксию и облучение, после чего быстро пришли в себя.


Трёхмерная компьютерная томография (разрешение — 20 микрон) самца мотылька. Слева — первая фотосессия, справа — через четыре дня. Он жив, хоть и устал. Источник: BioMed Central Ltd

Впрочем, абсолютный покой не всегда гарантирует успех NDI, особенно если нас интересует не строение предмета исследования, а, к примеру, надписи в нём.

3. Как с помощью NDI читать книги

Возможно, скоро сбудется мечта всех студентов — получать информацию из закрытой книги без всякого ясновидения. Для этого группа учёных из MIT призвала на помощь вполне реальные силы электромагнетизма и терагерцевое излучение (среднее между инфракрасным и микроволновым). Терагерцевые волны хорошо известны специалистам по безопасности: различные химические вещества по-разному поглощают определённые частоты ТГ-излучения.

При прохождении ТГ-лучей через чернила и чистую бумагу, сенсорный приёмник получает различный отпечаток интенсивности — вот способ читать книги или свитки, не разворачивая их, — очень полезно, когда листы слиплись и/или стали очень хрупкими, что часто бывает со старинными изданиями, к которым необходим доступ исследователей. Процесс организован так: ТГ-излучатель генерирует ультракороткие импульсы излучения на книгу, а встроенный датчик камеры считывает их отражение от крошечных воздушных карманов шириной 20 мкм, которые есть между страницами книги. Отклик от букв и пустых страниц выглядит по-разному, позволяя различить надпись.

Источник: YouTube-канал MIT Media Lab

Но не всё так просто. Большая часть излучения либо отражается, либо поглощается книгой, а другие частицы отскакивают не от воздушных пузырей, а от других страниц, создавая ложный сигнал. Чтобы отделить ложные сигналы от истинных, нужно знать расстояние от приёмника до конкретной страницы книги. Сейчас разработанный учёными алгоритм теоретически может различить написанное на глубине до 20 страниц. Но на практике примерно на глубине девяти страниц энергия отражённого сигнала становится настолько малой, что отличить её от шума уже невозможно. Так что пока мы можем читать, скорее, газеты, а не книги, хотя исследования продолжаются. К тому же, для NDI есть задачи и из эпохи дописьменной истории.

4. Играл ли неандерталец на флейте?

Помимо медицинских вопросов, изобретение Вильгельма Рентгена помогает решить исторические задачи. Например: могли ли неандертальцы играть на флейте?

Задуматься учёных заставила найденная в пещере Дивье Бабе (Словения) кость пещерного медведя. В ней проделаны два отверстия, а на местах сломов видны очертания ещё двух. Вместе они образуют ряд, как на флейте. Возраст находки — 43 тыс. лет поэтому одни учёные считают, что мы нашли изделие неандертальцев, а другие видят в косточке объедок пиршества гиен, чьи клыки могли проделать такие аккуратные отверстия.


«Неандертальская флейта» из Дивье Бабье. Автор отверстий — либо неандерталец, либо пещерная гиена. Источник: Sporti / Wikimedia Commons

Чтобы досконально рассмотреть «флейту», учёные применили компьютерную томографию (КТ): рентген просветил кость с разных углов, а компьютер объединил снимки в трёхмерное изображение. Выяснилось, что на кости действительно много следов поедания животными, но далеко не все можно однозначно отнести к воздействию челюстей. Затем с помощью полученных снимков учёные реконструировали копию «флейты».

Как выяснилось, на ней действительно можно играть: инструмент выдаёт до 2,5 октав в последовательности мелодий по 12-тональной шкале. «Неандертальской флейте» под силу легато, стаккато, фруллато, глиссандо и другие приёмы исполнения.

Небольшую флейту просветить рентгеном не так сложно, но есть исторические памятники побольше. Гораздо больше. Как быть с ними?

5. С небес на землю: как космические лучи помогли сделать «рентген» пирамиды

Почти все наши всевидящие технологии остаются «близорукими»: «зрение» радиолокаторов, рентгеновских установок, ультразвука не простирается дальше (глубже) нескольких метров. А надо больше! Примерно с такими мыслями в 2016 году группа японских учёных из Университета Нагои смотрела на пирамиду Хеопса объёмом 2,5 млн кубометров. Они решили отсканировать этот объект космическими лучами, которые рождаются источниками высоких энергий, скажем, взрывами сверхновых. Проходя через атмосферу Земли, космические лучи превращаются во вторичные частицы — мюоны. У них очень высокая проникающая способность: преодолеть даже 1 километр известняковых блоков для них не проблема.

Материя поглощает больше мюонов, чем пустота. Чтобы «поймать» частицы японцы поставили специальные ловушки внутри известных камер пирамиды. Яркие мюонные отпечатки указали на ранее неизвестную полость над Большой галереей пирамиды Хеопса. Пространство длиной 30 метров напоминает по форме Большую галерею. Как предполагают египтологи, космические лучи помогли обнаружить техническое помещение — полость снижает давление блоков на своды Большой галереи.

Кстати, такую же технологию сейчас применяют российские учёные в Дербенте: они пытаются понять, было ли крестообразное строение, полностью скрытое под землёй, древнейшим христианским храмом в России или всего лишь водохранилищем.

Источник: Euronews

Что будет дальше?

Мы полагаем, что в ближайшем будущем технологии неразрушающего контроля будут объединены с другими передовыми разработками:

• Big Data поможет нам собирать и интерпретировать намного больше информации, чем способен абсорбировать живой рентгенолог;
• нейросети позволят сделать NDI более проактивным: мы сможем построить систему массового тестирования изделий, деталей, узлов ещё на стадии производства, не требующую непосредственной оценки человека;
• непосредственный результат этих операций будет внедряться автоматически с помощью 3D-печати. Обработанные результаты анализа послужат «пищей» для 3D-принтеров, которые немедленно устранят недостатки или усовершенствуют изделие в конвейерном режиме.