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研究突出了
技术视角:使用内置手机传感器进行液体测试
图片来源:Getty Images
有多少次你想知道你刚刚入住的酒店的自来水是否安全?你是否曾经想要检查一下好心的酒保提供的饮料中的酒精浓度?如果你有，你也许可以从你的手机上找到答案，使用麻省理工学院计算机科学家最近介绍的测量液体表面张力的新技术。这项技术可能不仅可以确认任何水污染和测量酒精浓度，还可以识别液体中物质的存在，用于医疗诊断或检测假冒奢侈品，如白兰地或香水。
现有的液体测试方法通常基于液体的可测量性质，如电介电常数、光学吸收等。表面张力是液体的另一个特性，表示液体表面收缩到尽可能小的表面积的趋势，这是由于液体分子之间更大的吸引力造成的。然而，它是最难测量的性质之一，需要高成本和复杂的仪器，称为张力计。这些张力计的例子包括杜Noüy环，威廉米板，旋转下降，垂坠，气泡压力，和声悬浮。虽然这种张力计可以达到很高的精度，但由于硬件、准备和手工程序的复杂性，它们的测量通常在实验室中进行。为了解决这些缺点，最近使用移动设备测量表面张力的努力显示了一些有希望的结果。然而，它目前的糟糕性能和复杂性是其采用率低的两个主要原因。
本文提出了一种利用在流体表面传播的波的光学吸收来测定液体表面张力的新技术。利用表面张力方程，该方法试图推断出毛细管波的波长——与给定液体性质的关键关系。然而，对波长做出正确的推断是具有挑战性的。具体来说，第一个挑战来自于手机振动在容器内液体表面产生的非常浅的毛细血管波。另一个挑战是由于相机滚动快门的基本机制，这导致了意想不到的运动伪影。当这些挑战结合在一起时，它不仅模糊了手机摄像头捕捉到的照片中的波模式，还使这些照片的波长估计处理复杂化。
在不增加支撑硬件的情况下，作者提出了一套简洁的技术，以实现与实验室手动张力计相当的性能，自信地证明了这项研究的成功。帮助作者得出解决方案的一个显著见解是，他们观察到，手机手电筒在容器底部反射的浅波与照片中它们的图案的清晰度相关，这有助于解决第一个挑战。此外，作者利用硬件的内在工作机制来精确定位来自相机滚动快门的运动工件，这有助于解决第二个挑战。因此，他们提出的技术可以减少现有方法中波长推断固有的不良性能。
本文提出了一种利用在流体表面传播的波的光学吸收来测定液体表面张力的新技术。
应用所提出的解决方案，实现的系统能够获得非常有趣的结果，其表面张力的绝对误差为0.75mN/m，而实验室手动张力计的分辨率为0.5mN/m。有趣的是，所提出的方法可以测量表面张力的值非常接近酒精浓度、水污染检测和尿液蛋白质水平跟踪的实际测量值，这是用于控制糖尿病和肾脏疾病的关键生理指标。
这些结果表明，提出的技术是第一个能够精确测量液体表面张力的全面移动应用程序，只需使用相机、手电筒和智能手机上的内置振动电机。这一研究路线开辟了多种潜在的应用和研究方向。这一研究方向的下一个合乎逻辑的步骤包括提高其性能，将该技术应用到其他实际应用中，如食品安全、假冒商品检测，并在现实世界部署的现实环境中验证这些假冒行为。
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