A Sound Idea [Introduction]

(Let me guess…prefer English? No problem! Just scroll on down, but remember to go back for the images).

Conforme aprofundava minha pesquisa da expansão dos sentidos, meu interesse no campo de pesquisa acústica só se aprofundou, certamente inspirado pelo projeto Contact por Felix Faire que eu discuti no meu post anterior. Assim, eu gostaria de resumir as principais tecnologias e funções envolvidas nesse projeto.

O Contact utiliza sensores capacitivos, na forma de microfones de contato, como inputs, juntamente com a implementação de som. Os microfones de contato são conectados à uma interface de áudio e trabalham com a plataforma Arduino, um pedal de loop, o controlador de movimento Leap (para reconhecimento de gestos e mais interação), um projector (para feedback visual), um computador e uma variedade de software de computador para transformar qualquer superfície dura em uma interface. O Contact realiza uma análise de sonar passivo e de forma de onda para receber e processar inputs de toque “explorando o potencial de contato físico e vibração acústica como uma interação em materiais tangíveis.” Em suma, através deste processo é capaz de localizar transientes de volume e mapear as entradas de toque para X&Y , identificando onde o contato foi feito na superfície em questão.

Para mais detalhes sobre o Contact, por favor leia meu post anterior.

Agora eu gostaria de discutir as intenções do meu grupo com a nossa proposta de um novo projeto de design de mídia digital que explora o potencial dos sentidos. Meu parceiro de grupo é o Haroldo Olivieri (leia o seu blog aqui), e temos trabalhado em conjunto nessa pesquisa. Para este post, vamos dar uma olhada em aplicações de pesquisa acústica e os nossos interesses e idéias.

Vamos começar com o campo recém-desenvolvido de sonocytology (termo não existente no português): o estudo de sons celulares. Foi fundada por um químico da UCLA (University of California, Los Angeles), Jim Gimzewski, que encontrou indícios de que talvez todas as células vivas produzem ruído. Gimzewski procurou saber se todas as células batem que nem um coração, e se essas pequenas vibrações poderiam produzir um som detectável. Seu raciocínio era que “o som é apenas o resultado de uma força empurrando as moléculas, criando uma onda de pressão que se espalha e registrar quando atinge o tímpano,” então um ruído gerado por células pode ser detectável por um instrumento muito sensível.

Sendo um especialista em nanotecnologia, Gimzewkski teve acesso a um Microscópio de Força Atômica (AFM-Atomic Force Microscope), que usa um sensor tátil para criar imagens em 3D de superfícies em uma resolução muito alta, comumente usado para estudar os átomos, as moléculas, proteínas e células vivas. Este texto oferece uma ótima explicação do AFM:

The AFM “consists of a cantilever with a small tip at the end that is mounted on a tube-shaped piezoelectric crystal” [(the same effect used in contact microphones)]. The crystal expands and contracts proportionally to an applied voltage. Three sets of electrodes are attached on the tube to control the crystals motions in the X, Y and Z directions. When a voltage is applied to one of the electrodes, the crystal will contract or expand.

O AFM “consiste em um cantilever com uma pequena ponta na extremidade que está montado sobre um cristal piezoeléctrico em forma de tubo” [(o mesmo efeito utilizado em microfones de contato)]. O cristal se expande e contrai proporcionalmente a uma tensão aplicada. Três conjuntos de eléctrodos estão ligados no tubo para controlar os movimentos de cristais X, Y e Z. Quando uma tensão é aplicada a um dos eléctrodos, o cristal irá contrair ou expandir.

Essencialmente, as tensões aplicadas sobre os eléctrodos irão fazer com que a ponta se mova ao longo da superfície da amostra; seus deslocamentos são registrados e um mapa em 3D da superfície é gerado. Desse modo, a ponta de AFM pode literalmente “sentir” a estrutura da superfície, e o sentir movimento acontecendo dentro dela.

Gimzewski utilizou o microscópio para uma finalidade diferente. Tradicionalmente, o AFM cria uma imagem visual de uma superfície, movendo a ponta sobre a superfície, medindo cada solavanco e oco de sua membrana externa. Um computador converte os dados em uma imagem. Em vez disso, ele e os outros pesquisadores mantiveram a ponta em uma posição fixa, mantendo a ponta levemente na superfície de uma membrana celular de levedura “como uma agulha de vinil,” para detectar quaisquer vibrações de geração de som.

Behind the AFM

O resultado: eles descobriram que a parede celular sobe e desce três nanômetros e vibra uma média de 1.000 vezes por segundo. Esses dados de movimento foram convertidos em som , permitindo que os investigadores “ouvissem ” as células. A distância dos movimentos da parede celular determina a amplitude (volume) da onda de som , e a velocidade do movimento para cima e para baixo é a sua frequência, ou altura. Embora o volume do som da célula de levedura era muito baixo para ser ouvido, Gimzewski diz que sua frequência foi, teoricamente, dentro do alcance do ouvido humano .

Além disso, eles descobriram que a frequência das células de leveduras testadas foi sempre na mesma faixa de agudos, “mais ou menos um Dó-Sustenido para Ré acima do Dó central , em termos de música.”

Aplicando álcool em uma célula de levedura para matá-la aumenta o tom, enquanto as células mortas emitem um som baixo, que Gimzewski acredita que é provavelmente o resultado de movimentos atômicos aleatórios. Os testes também mostraram que as células de leveduras com mutações genéticas fazem um som um pouco diferente do que as células normais de levedura.

Esse resultado revela o que é, talvez, a aplicação dessa pesquisa com mais potencial: o diagnóstico de doenças (como o câncer , que se acredita ter origem com mudanças na composição genética das células) através do som. Os pesquisadores passaram a testar diferentes tipos de células de mamíferos.

No próximo post iremos descrever nossa proposta em mais detalhes.

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As I delved further into my research of the expansion of the senses, my interest in the field of acoustic study only deepened, certainly inspired by the Contact project by Felix Faire I discussed in my previous post. On that note, I would like to summarize the main technologies and functions involved in that project.

Contact utilizes capacitive sensors, in the form of contact microphones, as inputs, along with sound implementation. The contact mics run through an audio interface and work with the Arduino platform, a foot pedal, Leap motion controller (for gesture recognition and further interaction) projector (for visual feedback), a computer and a variety of computer software to transform any hard surface into an interface. Contact performs an analysis of passive sonar and waveform to receive and process touch inputs, “exploring the potential of physical contact and acoustic vibration as an interaction in tangible materials.” In short, through this process it is able to locate volume transients and map touch inputs to X&Y, identifying where contact was made on the surface in question.

For a more detailed look under the hood of Contact, please read my previous post.

Now I would like to discuss my group’s intentions with our proposal for a new digital media design project which explores the potential of the senses. My group partner is Haroldo Olivieri (read his blog here), and we have been working together on this research. For this post we will look at applications of acoustic research and our interests and ideas.

We will begin with a look into the recently-developed field of sonocytology: the study of cell sounds. It was founded by UCLA chemist Jim Gimzewski, who found evidence that perhaps all living cells produce noise. Gimzewski sought to find out if all cells beat, and if those tiny vibrations could produce a detectable sound. His reasoning was that “sound is merely the result of a force pushing on molecules, creating a pressure wave that spreads and registers when it strikes the eardrum,”  so a cell-generated noise might be detectable by a very sensitive instrument.

Being an expert in nanotechnology, Gimzewkski had access to an Atomic Force Microscope (AFM), which uses tactile sensing to create 3D images of surfaces at a very high resolution, commonly used to study atoms, molecules, proteins, and living cells. This essay offers a great explanation of the AFM: 

The AFM “consists of a cantilever with a small tip at the end that is mounted on a tube-shaped piezoelectric crystal” [(the same effect used in contact microphones)]. The crystal expands and contracts proportionally to an applied voltage. Three sets of electrodes are attached on the tube to control the crystals motions in the X, Y and Z directions. When a voltage is applied to one of the electrodes, the crystal will contract or expand.

Essentially, applied voltages on the electrodes will cause the tip to move along the sample surface; its displacements are recorded and a 3D map of the surface is generated. In this way, the AFM tip can literally “feel” the structure of the surface, and sense motion taking place within it.

Gimzewski used the microscope for a different purpose. Traditionally, the AFM creates a visual image of a surface by moving its tip over the surface, measuring every bump and hollow of its outer membrane. A computer converts the data into a picture. Instead, he and his fellow researchers kept the tip in a fixed position, resting it lightly on the surface of a yeast cell membrane “like a record needle,”  to detect any sound-generating vibrations.

The result: they found that the cell wall rises and falls three nanometers and vibrates an average of 1,000 times per second. This motion data was converted into sound, allowing the researchers to “listen” to the cells.  The distance the cell wall moves determines the amplitude (volume) of the sound wave, and the speed of the up-and-down movement is its frequency, or pitch. Though the volume of the yeast cell sound was far too low to be heard, Gimzewski says its frequency was theoretically within the range of human hearing.

In addition, they found that the frequency of the yeast cells  tested has always been in the same high range, “about a C-sharp to D above middle C in terms of music.”  Applying alcohol on a yeast cell to kill it raises the pitch, while dead cells give off a low, rumbling sound that Gimzewski believes is probably the result of random atomic motions. The tests also showed that yeast cells with genetic mutations make a slightly different sound than normal yeast cells.

This finding reveals what is perhaps the most exciting application of this research: diagnosing diseases (such as cancer, which is believed to originate with changes in the genetic makeup of cells) through sound.  The researchers have gone on to test different kinds of mammalian cells.

In the next post we will provide a more detailed description of our proposal.

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