Imaging atmosferico di particelle di aerosol da un UAV con olografia digitale ovvero uno strumento olografico stampato in 3D

IL LABORATORIO DI RICERCA DELL’ESERCITO AMERICANO SVILUPPA UN DISPOSITIVO OLOGRAFICO DI RILEVAMENTO DI AEROSOL STAMPATO IN 3D “HAPI”

I ricercatori dell’US Army Research Laboratory (ARL) hanno collaborato con diverse università statunitensi per sviluppare uno strumento olografico stampato in 3D miniaturizzato.

L’Holographic Aerosol Particle Imager (o HAPI) del team è in grado di visualizzare e caratterizzare più particelle da qualsiasi direzione in una singola misurazione, senza entrare in contatto fisico con esse. Durante i test, HAPI è stato distribuito tramite drone per catturare e identificare gli aerosol presenti in natura e, utilizzando una tecnica di olografia digitale (DH), è riuscito a registrare particelle di dieci micrometri o più.

Con ulteriori ritocchi, il team ritiene che il loro nuovo dispositivo potrebbe essere utilizzato per identificare potenziali minacce di aerosol sul campo e contribuire alla consapevolezza situazionale e alla letalità dei soldati statunitensi.

“Questa ricerca è unica perché utilizza l’olografia per caratterizzare le particelle di aerosol catturando immagini della loro forma fisica”, ha detto il ricercatore ARL Dr. Gorden Videen. “Questo non è mai stato fatto prima e l’ultimo passo è miniaturizzare lo strumento, metterlo su un drone e farlo volare in giro per catturare queste immagini in situ.”

“QUESTO È UN IMPORTANTE PASSO AVANTI ED È STATO IMPLEMENTATO IN UN LASSO DI TEMPO RELATIVAMENTE BREVE.”

I ricercatori hanno testato con successo il loro dispositivo di rilevamento stampato in 3D facendolo penzolare da un UAV vicino a un albero di abete rosso. Foto tramite il diario della natura.
I ricercatori hanno testato con successo il loro dispositivo di rilevamento stampato in 3D facendolo penzolare da un UAV vicino a un albero di abete rosso. Foto tramite la rivista Scientific Reports.
L’importanza di comprendere l’atmosfera

Comprendere sia la composizione che i comportamenti delle particelle quotidiane nell’aria non è importante solo per ragioni militari, ma anche per controllare il riscaldamento globale. La “forzatura radiativa” che si verifica negli aerosol naturali può riflettere i livelli di gas serra, oltre ad essere un indicatore della tossicità dell’aria per la vita umana.

Nonostante ciò, l’impatto più ampio degli aerosol sul clima terrestre non è ben compreso, e ciò è in gran parte dovuto ai dati limitati sulla morfologia degli “Coarse Mode Aerosol” (CMA) o di particelle di dimensioni pari o inferiori a 1 µm. Al momento, le particelle vengono spesso studiate insieme ai dati terrestri e satellitari, ma in futuro saranno necessari metodi più accurati per registrare le loro esatte caratteristiche microfisiche.

La diffusione ottica della luce generalmente offre una tecnica di rilevamento più adatta, poiché è sia rapida che senza contatto, ma il modello di diffusione di una particella dipende fortemente dalla sua morfologia. Nella ricerca precedente, si è rivelato impossibile identificare una relazione esatta tra un modello misurato e caratteristiche particellari precise e, di conseguenza, studi precedenti non hanno ancora prodotto un dispositivo olografico efficace.

Il dispositivo HAPI della squadra dell’esercito americano

I ricercatori guidati dall’esercito hanno affrontato queste limitazioni adattando il loro congegno a un sistema di caratterizzazione degli aerosol DH in linea. In linea di principio, il dispositivo utilizza un raggio laser (posizionato a pochi centimetri da un sensore) per misurare le particelle che passano e questo forma una “onda di riferimento”. Le piccole quantità di luce diffusa dalle particelle mentre attraversano il raggio, provocano successivamente una “onda dell’oggetto” più accurata.

Nell’ambito del processo avanzato, se il laser è “pulsato”, le particelle che passano attraverso l’onda dell’oggetto possono essere “congelate” in quanto scatta un’istantanea delle loro caratteristiche precise in quel momento. Al fine di implementare il processo DH in un modo più economico rispetto a un aereo commerciale o un pallone di ricerca, il team ha deciso di creare HAPI e collegarlo a un UAV.

Il nuovo dispositivo olografico dei ricercatori consisteva in tre contenitori cilindrici impilati, componenti elettronici per l’alloggiamento, tecnologie di rilevamento e ottiche. Gli elementi strutturali di HAPI dovevano essere abbastanza leggeri da essere trasportati da un UAV economico, quindi sono stati fabbricati utilizzando una stampante 3D Form 2 di Formlabs e polimeri a basso costo.

Il team ha implementato una tecnica olografica digitale avanzata (nella foto) per superare i limiti della ricerca precedente. Immagine tramite la rivista Scientific Reports.
Il team ha implementato una tecnica olografica digitale avanzata (nella foto) per superare i limiti della ricerca precedente. Immagine tramite la rivista Scientific Reports.
Una volta costruito, il team ha testato HAPI in diverse località vicino alla Kansas State University (KSU) per indagare sulle particelle di aerosol emesse da due fonti: polline vivo emesso da un albero e polvere minerale causata dal traffico in transito. I test di riepilogo hanno rivelato che le particelle di CMA più grandi di 10 µm potevano essere sottoposte a imaging a un volume di rilevamento di ∼3 cm 3 con dettagli sufficienti per misurare con precisione la loro dimensione e forma.

Con risorse di calcolo sufficienti, i ricercatori ritengono che i dati acquisiti potrebbero essere analizzati in loco, fornendo feedback in tempo reale sulla direzione di viaggio prevista di un dato aerosol. Secondo il dottor Videen, l’HAPI potrebbe essere schierato sul campo dai soldati statunitensi, consentendo potenzialmente loro di identificare ed evitare qualsiasi sostanza chimica o tossina nociva nell’aria.

“Uno dei nostri obiettivi è identificare gli aerosol pericolosi, come gli agenti di guerra biologica”, ha aggiunto il dott. Videen. “Per fare ciò, dobbiamo sviluppare nuove tecniche in grado di rilevare e caratterizzare rapidamente gli aerosol. Questa tecnologia fornisce un nuovo tipo di informazioni sugli aerosol che possono essere incorporate nei rilevatori “.

Le recenti innovazioni additive di ARL

Recentemente, l’ARL statunitense è stato fortemente coinvolto nello sviluppo di materiali, processi e dispositivi di stampa 3D avanzati, realizzati su misura per migliorare le possibilità di combattimento dei suoi soldati.

Lavorando con i ricercatori della Texas A&M University , l’ARL ha prodotto una nuova famiglia di materiali di stampa 3D polimerici riciclabili e autoriparanti . Secondo il team di ricerca, la tecnologia potrebbe essere utilizzata in applicazioni che vanno dagli arti artificiali ai componenti aerospaziali flessibili.

L’ARL ha anche scoperto un metodo per prevedere le prestazioni delle parti stampate in 3D e comprendere eventuali imperfezioni successive che influiscono sulle loro prestazioni. In un recente studio militare, i soldati sono stati in grado di utilizzare le misurazioni dei sensori per prevedere quando le parti si sarebbero degradate o avrebbero dovuto essere sostituite, consentendo loro di mantenere la prontezza al combattimento.

Altrove, il laboratorio di ricerca aeromedica dell’esercito americano ha stampato in 3D e testato con successo tappi per le orecchie personalizzabili per i membri delle forze armate statunitensi . Le innovative protezioni per le orecchie hanno il potenziale per prevenire qualsiasi danno all’udito causato ai soldati da colpi di arma da fuoco sul campo di battaglia.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Imaging atmosferico di particelle di aerosol da un UAV con olografia digitale “, che è stato scritto da Osku Kemppinen, Jesse C. Laning, Ryan D. Mersmann, Gorden Videen e Matthew J. Berg.

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