Опубликовано : Окт 13, 2020

Как именно мы распределяем капли во время разговора? Об этом узнали инженеры.

Как именно мы распределяем капли во время разговора? Инженеры выяснили
Исследователи использовали этот лазерный луч, чтобы осветить капли слюны. Лазерный луч, исходящий слева, расширяется, образуя «лист», идущий слева направо и высотой около метра. Субъект исследования (обычно Манук Абкарян из CNRS) стоял перед листом или рядом с ним, в зависимости от эксперимента. Капли от их речи или дыхания, которые пересекали лист, вызывали вспышки, которые они фотографировали и считали. В некоторых экспериментах была добавлена ​​машина для создания тумана на Хэллоуин, чтобы увидеть, как капли дыхания или речи субъекта взаимодействуют с движением капель окружающего тумана. Предоставлено: Манук Абкарян.

Впервые исследователи непосредственно визуализировали, как при разговоре образуется и выбрасывается капелька слюны в воздух. Мельчайшие капли могут вдыхаться другими людьми и являются основным путем передачи респираторных инфекций, таких как COVID-19, от человека к человеку.

Используя высокоскоростную визуализацию, исследователи показали, что когда наш рот открывается для воспроизведения звуков речи, слой смазывающей слюны сначала распространяется по губам. Когда губы разделяются, жидкая пленка распадается на нити. Направленный наружу воздушный поток из легких растягивает и истончает волокна, пока они в конечном итоге не разорвутся и не разойдутся в воздухе в виде крошечных капель — и все это за доли секунды.

Этот механизм образования капель особенно ярко выражен для так называемых стоп-согласных или «взрывных», таких как «p» и «b», которые требуют, чтобы губы плотно прижимались друг к другу при формировании вокализованного звука. Другие звуки, известные как зубно-альвеолярные взрывные звуки, такие как «т» и «д», при которых язык касается верхних зубов и гребня челюсти сразу за зубами, также производят капли с гораздо большей скоростью, чем при формировании гласных звуков./p>

Более глубокое понимание процесса образования и распространения капель должно привести к разработке новых и более эффективных стратегий смягчения последствий, которые помогут замедлить нынешнюю пандемию коронавируса и будущие вспышки.

«Мы впервые визуализировали механизм, который производит капли в полости рта во время повседневной речи», — сказал Говард Стоун, профессор механической и аэрокосмической инженерии Дональд Р. Диксон ’69 и Элизабет У. Диксон. «Наше исследование дает представление о происхождении капель, когда люди разговаривают, что может помочь в сдерживании распространения таких заболеваний, как COVID-19».

Исследование появилось 2 октября в журнале Physical Review Fluids. Стоун был соавтором исследования с Мануком Абкаряном, научным директором Французского национального центра научных исследований (CNRS) в Центре структурной биологии в Монпелье. Абкарян приехал в Принстон на запланированный короткий творческий отпуск в начале марта 2020 года, по совпадению незадолго до того, как Университет (и большая часть остального мира) оказались в условиях пандемии.

В те первые недели, когда уровень заражения COVID-19 резко возрос, исследователи из самых разных дисциплин начали уделять внимание путям передачи вируса. Точно так же Стоун и Абкарян хотели использовать свой опыт в механике жидкостей, чтобы решить эту проблему. Исследователи сосредоточили внимание на бессимптомной передаче; то есть людьми, которые не кашляли и не чихали и не выделяли в воздух частицы, содержащие патогены.

«В апреле мы написали заявку на грант, чтобы исследовать механику жидкости, участвующую в бессимптомной передаче через роль речи, когда люди, которые явно не больны, просто обычно общаются и разговаривают», — сказал Стоун.

Для продолжения исследования Стоун и Абкарян получили разрешение от университета, в том числе Институционального наблюдательного совета, на доступ в лабораторию его кампуса для выполнения этой срочной работы при соблюдении строгого протокола социального дистанцирования. Там Абкарян провел большую часть экспериментов над собой с некоторыми дополнительными изображениями говорящего Стоуна. В экспериментальной установке Абкарян сидел на стуле в комнате, наполненной туманом от дымогенератора. Он озвучивал различные фонетические звуки, обращаясь к лазерной пластине, которая представляет собой плоскую и тонкую плоскость лазерного света. Лазерный лист выявил любые частицы, покидающие рот Абкаряна из-за эффекта светорассеяния, который они вызывают при пересечении листа. Это рассеяние зафиксировала высокоскоростная камера, что позволило исследователям измерить уровень образования капель при произнесении звука.

Чтобы визуализировать образование капель во время речи, та же камера увеличила изображение рта говорящего. Камера записывала с чрезвычайно высокой детализацией 5000 кадров в секунду при сильном освещении. Покадровая перспектива на миллисекундном уровне показала осаждение микроскопического смазывающего слоя слюны на губах, когда губы сжимаются друг с другом перед тем, как издать взрывную согласную. Слой жидкости превращается в тонкую вертикальную пленку, когда губы разделяются. Пленка становится нестабильной в течение миллисекунды, так как она расширяется до миллиметра в ширину. Пленка распадается на множество тонких нитей, которые быстро растягиваются на несколько сантиметров в длину, чтобы в конце концов разбиться на капли, выбрасываемые наружу воздухом, выходящим изо рта говорящего.

Эти заснятые камерой свидетельства контрастируют с предыдущими, по большей части неподтвержденными, гипотезами относительно образования капель в виде аэрозоля. Предполагается, что образование капель происходит двумя путями: из-за разрыва тонких пленок глубоко в легких или из-за срезания капель потоком воздуха с покрытых слюной поверхностей в верхних дыхательных путях, включая горло и рот. Остается открытым вопрос о том, играют ли эти другие предложенные механизмы какую-либо роль помимо механизма, задокументированного Стоуном и Абкаряном.

«Никому раньше не удавалось получить прямые измерения или визуализацию образования капель в легких или верхних дыхательных путях», — сказал Абкарян. «Теперь, благодаря нашему исследованию, есть убедительные доказательства того, что растяжение и разрыв нитей слюны во время речи лежит в основе образования аэрозоля».

Ношение масок, как это почти повсеместно рекомендуется экспертами в области общественного здравоохранения и предписано во многих юрисдикциях, должно эффективно сдерживать значительную часть выбрасываемых аэрозолей, отметили исследователи. Стоун и Абкарян также предположили, что простое использование бальзама для губ должно уменьшить образование капель во время разговора.

Когда позволяют условия пандемии, Стоун и Абкарьян хотели бы расширить визуализацию в своем исследовании на большее количество участников, чтобы подтвердить, что механизм образования капель, который они задокументировали, является общей характеристикой человеческой речи.

Исследователей также интересуют различия между языками с точки зрения разнообразия и частоты звуков, вызываемых их артикуляцией. Возможно, что говорящие на определенных языках, например, с большим количеством жестких согласных, будут иметь тенденцию производить больше капель, чем носители языков с более широким использованием более мягких гласных звуков. Однако люди, которые производят больше слюны во время разговора — их называют «суперэмиттерами» — не обязательно могут быть лучшими распространителями COVID-19 или других заболеваний, передающихся через слюну. Это связано с тем, что заразность любой конкретной капли, вероятно, зависит от количества содержащегося в ней вируса, а человек, инфицированный COVID-19, который просто случайно выделяет обильные капли, также может не иметь высокой вирусной нагрузки в слюне или дыхательных путях.

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *