Mắt tôm hùm và ứng dụng không thể ngờ tới trong công nghệ X quang

  • 1.515

Thật khó có thể tin là tôm hùm không chỉ là một món ăn sang chảnh. Hàng loạt các ứng dụng X quang đáng kinh ngạc đã được chế tạo dựa trên kiến trúc mắt tôm hùm.

Ứng dụng X quang dựa trên kiến trúc mắt tôm hùm

Điều khiến cho những ứng dụng X quang từ tôm hùm đặc biệt như vậy xuất phát từ hệ thống thị giác siêu đặc biệt của tôm hùm. Nếu áp dụng được kiến trúc này cho máy X quang, việc chế tạo một thấu kính nhìn xuyên tường (kể cả tường thép) cũng không còn là điều xa vời.

Mắt tôm hùm và ứng dụng không thể ngờ tới trong công nghệ X quang

Vấn đề của những thiết bị X quang truyền thống

Có lẽ chúng ta không còn xa lạ gì với các thiết bị X quang thông thường. Nguyên lý tạo ảnh chung của các thiết bị X quang phổ thông là tia X sau khi đâm xuyên qua đối tượng, sẽ đi vào một tấm thu. Những tia này gọi là tia khúc xạ. Dựa vào cường độ của tia X suy hao (do vật liệu của đối tượng khác nhau), người ta sẽ có hình ảnh X quang của đối tượng cần chụp. Chẳng hạn như phim chụp X quang ở bệnh viện.

Các hệ thống X quang phổ thông này có vài nhược điểm rất rõ rệt. Đầu tiên là các tia khúc xạ sau khi đâm xuyên qua đối tượng, chạy toán loạn. Điều này vô tình làm cho thiết bị quang học rất khó để thu được chính xác hình ảnh, phải nhờ đến sự trợ giúp của các thuật toán xử lý ảnh rất phức tạp. Nhược điểm tiếp theo là để hạn chế các tia khúc xạ ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh, người ta tăng cường độ của tia X quang trong các thiết bị thông thường lên cực cao, nhằm mục đích cho ảnh rõ nét nhất ở các tia truyền thẳng. Rõ ràng các thiết bị X quang năng lượng cao không an toàn với con người.

Thật ra hệ thống thị giác của tôm hùm đặc biệt như thế nào?

"Hệ thống thị giác của con người hoạt động dựa trên ảnh khúc xạ" – đây là kiến thức có thể tìm thấy trong bất cứ cuốn sách giáo khoa phổ thông nào. Tuy nhiên hệ thống thị giác của tôm hùm lại hoàn toàn dựa trên phản xạ.

Mắt tôm hùm và ứng dụng không thể ngờ tới trong công nghệ X quang
Minh họa hệ thống thị giác tôm hùm

Hệ thống thị giác của tôm hùm có cấu tạo gồm một mạng lưới hàng nghìn các ô vuông. Vai trò của các mắt lưới ở mắt tôm hùm này khác hoàn toàn với mắt người: chỉ nhận những tia sáng tới có phương gần song song với mặt phản xạ - thành của mắt lưới ô vuông tôm hùm. Nhờ đặc điểm này, các tia sáng tới gần như được phản xạ toàn bộ từ các bộ phản xạ (reflector units) đến võng mạc (retina – điểm nhạy sáng thu hình ảnh tín hiệu). Với cấu tạo như thế này, mắt tôm hùm có thể thu được nhiều ánh sáng hơn so với các loài sinh vật khác. Đây là lý do vi sao tôm hùm vẫn có thể quan sát được trong môi trường ánh sáng yếu ớt dưới lớp bùn dày đặc.

Với tính năng lý tưởng như vậy, bạn đọc chắc chắn sẽ không khỏi ngỡ ngàng trước một danh sách dài các ứng dụng của thiết bị X quang mô phỏng kiến trúc "mắt tôm hùm".

Mắt tôm hùm và ứng dụng không thể ngờ tới trong công nghệ X quang
LEXID - thiết bị X quang chế tạo dựa trên kiến trúc "mắt tôm hùm"

Thiết bị kinh điển mô phỏng lại kiến trúc "mắt tôm hùm" là máy tạo ảnh X quang LEXID (Lobster Eye X-ray Imaging Device). Nguyên lý hoạt động của LEXID khác xa với những loại máy X quang thường quy: thay vì tạo ảnh từ những tia X quang đi xuyên qua đối tượng, LEXID tạo ảnh dựa trên những tia X bị tán xạ ngược trở lại từ đối tượng. Một cách tương tự như mắt tôm hùm, LEXID tập trung thu lại những tín hiệu tia X bị dội ngược lại từ đối tượng vào 1 điểm tập trung. Khả năng này làm cho độ chính xác của LEXID rất cao. Bằng cách sử dụng LEXID, các chuyên gia có thể nhìn xuyên qua bê tông, gỗ, hoặc thậm chí là bức tường thép dày 7.5 cm. Từ nguyên lý hoạt động, ta có thể thấy LEXID tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều so với các loại X quang thường do hoạt động dựa trên chùm tia tán xạ (về cơ bản, tạo ra các chùm tia X có tính đâm xuyên tốn nhiều năng lượng hơn).

Các thiết bị X quang mô phỏng kiến trúc mắt tôm hùm quá hấp dẫn đến nỗi Cục an ninh quốc gia Mỹ đã đầu tư 1 triệu Đô la cho các loại thiết bị X quang nhìn xuyên tường chế tạo theo nguyên lý "mắt tôm hùm". Theo các sĩ quan cao cấp của cục an ninh quốc gia Mỹ, việc sở hữu các thiết bị nhìn xuyên tường sẽ củng cố sức mạnh của lực lượng chống khủng bố.

Thiết bị X quang mô phỏng kiến trúc "mắt tôm hùm" còn có thể được thay thế cho các máy soi hành lý cồng kềnh. Tính cơ động của thiết bị X quang "mắt tôm hùm" rất cơ động trong các cuộc khám xét khẩn cấp, hay ngoài chiến trường.

Mắt tôm hùm và ứng dụng không thể ngờ tới trong công nghệ X quang
Những thiết bị an ninh cồng kềnh như thế này có thể sẽ không được sử dụng rộng rãi khi LEXID trở nên phổ biến

Không chỉ hữu ích với Cục an ninh quốc gia, máy X quang mắt tôm hùm cũng có đến hàng tá các ứng dụng với những người dùng phổ thông: các kỹ sư xây dựng có thể biết chính xác đằng sau tường, hoặc dưới sàn nhà có những gì. Các nhà khảo cổ học cũng tiết kiệm được rất nhiều thời gian để loại trừ những nơi không nên tìm kiếm. Các bác sĩ, y tá cũng có thể giũ bỏ bộ áo chì cồng kềnh khi ở trong những ca phẫu thuật cần dùng X quang.

Các thiết bị X quang "mắt tôm hùm" mang lại giá trị to lớn cho ngành thiên văn học. Chẳng hạn như một trong những niềm tự hào của các nhà du hành vũ trụ - kính viễn vọng Lobster-IIS – được ví như "hiện thân của chúa" với những khả năng đặc biệt chưa từng có. Sử dụng Lobster-IIS, các nhà thiên văn học có thể ung dung quan sát các hiện tượng siêu tưởng như siêu tân tinh, hoạt động của lỗ đen vũ trụ. Lobster-IIS cũng được cho rằng sẽ là ngọn đuốc soi đường đến những bí mật của "vật chất đen" (dark matter).

Cập nhật: 02/04/2015 Theo genK
  • 1.515

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook