Экспериментальная установка с чувствительным элементом и мадагаскарским шипящим тараканом
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», 2025. Исследование выполнено в рамках государственных заданий (№ 122031100058-3, № 124020600009-2) и при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-79-30017).
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.
