Ученые-физики создали первый фотонный вариант "демона Максвелла"

Демон Максвелла представляет собой гипотетическое явление, которое нарушает второй закон термодинамики и при помощи которого в теории можно получить некоторое количество энергии из системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Эта теория была предложена в 1867 году Джеймсом Клерком Максвеллом (James Clerk Maxwell) и с того момента она была достаточно хорошо изучена учеными-физиками. Однако, большинство из исследований демона Максвелла были теоретическими изысканиями, ученым удалось провести лишь малое количество экспериментов, касающихся данного явления на практике.

Недавно группа физиков из Оксфордского университета объявила о том, что им удалось воссоздать первое фотонное воплощение демона Максвелла. Измерения, произведенные при помощи двух лучей света, позволяют создать энергетический дисбаланс, который является источником энергии, за счет которой может быть выполнена некая работа. И самым интересным является то, что этой работой в данном случае может являться процесс зарядки аккумуляторных батарей.

В оригинальной теории демон Максвелла находится между двумя емкостями, заполненными газом. Средняя тепловая энергия (скорость движения молекул) газа в двух емкостях равна. Но демон "приоткрывает дверь" между емкостями, позволяя частицам с более высокой энергией проникать из одной емкости в другую естественным образом. А в обратном направлении гипотетическая мембрана демона пропускает лишь частицы с низкой энергией. Через некоторое время высокоэнергетические частицы скапливаются в одной емкости, а низкоэнергетические - в другой, возникает энергетический дисбаланс, который в газовой системе проявляется в виде разницы давления, которую можно использовать для извлечения энергии. В результате получается, что можно извлечь энергию и произвести работу за счет системы, которая изначально находилась в термодинамическом равновесии, что является прямым нарушением второго закона термодинамики.

В фотонной версии демона Максвелла физики заменили емкости с газом двумя импульсами света. В качестве демона Максвелла выступает система фотодатчиков и специальных оптических компонентов, которая отклоняет более высокоэнергетический луч в одном направлении и менее энергетический - в другом. Эти два луча попадают на раздельные фотодиоды, вырабатывающие электрический ток, который течет в электрический конденсатор в противоположном направлении от каждого фотодиода. Если количество энергии в каждом луче равно, то токи взаимно компенсировали бы друг друга, но в случае наличия энергетического дисбаланса между двумя лучами этот дисбаланс превращается в электрический ток, заряжающий конденсатор.

В своих экспериментах ученые не стремились добиться получения максимального количества энергии от данного явления, однако, у такого фотонного варианта демона Максвелла имеется практическое применение в разработке новых высокоэффективных технологий превращения энергии солнечного света в электрическую энергию. Кроме этого данная теория может оказать влияние и на некоторые другие, не связанные на первый взгляд с термодинамикой, области. "Сейчас мы начали думать об использования в будущих экспериментах некоторых явлений, таких, как квантовая запутанность" - пишут исследователи, - "Это позволит нам выявить взаимосвязь между явлениями квантового мира и термодинамикой, и эти взаимосвязи позже можно будет использовать в различных квантовых информационных технологиях".

Источник

FLA - самый быстрый квадрокоптер, способный развивать скорость в 70 км/ч в автономном режиме

Максимально "заряженный" различными технологиями квадрокоптер, летательный аппарат с четырьмя роторами, не так давно развил скорость в 72 километра в час (45 миль в час) при прохождении полигона с препятствиями в полностью автоматическом режиме. Этот маленький беспилотный летательный аппарат был создан в рамках программы (Fast Lightweight Autonomy, FLA) Управления перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA, конечной целью которой, как несложно догадаться, является создание маленьких беспилотников, способных маневрировать и перемещаться с большой скоростью полностью самостоятельно, без какого-либо внешнего контроля и помощи со стороны навигационных систем типа GPS.

В настоящее время беспилотники становятся обыденностью и в военной и в гражданской областях. Для военных они являются средством проведения разведки и слежения за противником, а в гражданской области при их помощи проводятся обследования труднодоступных мест и областей с опасными для жизни людей условиях. А главной проблемой во всех этих делах является сложность управления беспилотными летательными аппаратами в тесных помещениях с большим количеством неожиданно возникающих препятствий.

"В настоящее время существуют легкие беспилотники, способные развивать скорость более 20 метров в секунду. Но такие аппараты предназначены исключительно для скорости их полета, на них нельзя "навесить" даже минимальное количество датчиков и микропроцессорных модулей, которые снабдят их способностью к автономному перемещению в сложной окружающей среде" - рассказывает Марк Микайр (Mark Micire), руководитель программы DARPA FLA, - "Существуют и большие беспилотники, способные летать высоко, быстро и поднимать достаточно полезного груза, но такие аппараты, в силу понятных причин, невозможно использовать внутри закрытых помещений. Целью программы FLA является поиск компромисса, в результате которого на свет появляются небольшие летательные аппараты, оборудованные датчиками и вычислительными модулями, позволяющими им действовать полностью самостоятельно".

Согласно требованиям программы FLA беспилотник должен иметь возможность проникать внутрь помещения через стандартный оконный или дверной проем. Также он должен иметь возможность развивать скорость минимум в 70 километров в час при движении в автоматическом режиме и перемещаться по отдельным комнатам, лестницам, коридорам, огибая попадающиеся на пути препятствия. Все это должно быть реализовано при помощи нового класса программных алгоритмов, расчеты которых требуют относительно небольшой вычислительной мощности, которой обладают современные микроконтроллеры.

В ходе реализации программы FLA несколько групп-участников создали летательные аппараты, удовлетворяющие указанным выше техническим требованиям. А испытания этих аппаратов были проведены в одном из пустующих ангаров авиационной базы Национальной Гвардии Отис, внутренность которого была превращена в настоящий лабиринт. Несмотря на то, что беспилотники были снабжены высококачественными видеокамерами, лазерными сканерами, сонарами, средствами инерциальной навигационной системы и прочими средствами, полеты в среде лабиринта очень часто заканчивались крушением летательных аппаратов, после чего их требовалось ремонтировать.

Тестовые полеты проводились на больших и малых скоростях, а человек-оператор выступал лишь в качестве наблюдателя. За время этих полетов все группы собрали достаточное количество информации, которая обеспечит их дальнейшей работой по совершенствованию систем. А специалисты DARPA тем временем сделают трассу для полетов более сложной и более насыщенной всевозможными препятствиями.

В конце концов, созданные для беспилотных летательных аппаратов алгоритмы автоматического управления могут быть приспособлены и к другим типам беспилотных аппаратов, к наземным, наводным и подводным, которые обретут способности к самостоятельным действиям в ограниченной окружающей среде и в условиях отсутствия сигналов навигационной системы GPS.


Источник

Электроды-стенты позволят считать сигналы через кровеносную систему мозга

Интерфейсы мозг-компьютер, которые были разработаны в достаточном количестве за последние годы, позволяют парализованным людям управлять "силой мысли" специализированными роботизированными протезами, экзоскелетами, роботами и элементами управления интерфейсов пользователя компьютерных программ. В большинстве случаев такие интерфейсы требуют наличия электродов или чипов, внедренных в мозг хирургическим путем, который обеспечивают минимальный уровень шумов и помех по отношению к уровню полезного сигнала от нейронов. Однако новый тип электрода, который по конструкции подобен медицинскому стенту, может обеспечить высококачественную запись сигналов нейронов без потребности проведения опасных хирургических операций на открытом мозге. Электрод "stentrode", размером со спичку, который был разработан группой австралийских ученых, может быть просто введен в вену, входящую в состав кровеносной системы головного мозга.

Такой электрод-стент внедряется в организм через катетер, введенный в вену в области шеи человека. Это устройство принимает электрические сигналы и передает их через тончайший провод приемнику, который внедрен под кожу в районе грудной мышцы. Этот приемник является одновременно и передатчиком, который транслирует все принятые сигналы при помощи технологий беспроводной передачи информации. Конечным получателем этой информации могут являться системы управления протезами, экзоскелетами или другие электронные устройства.

Испытывая разработанную технологию, ученые произвели запись высококачественных сигналов от нейронов. Электроды-стенты были внедрены в кровеносную систему подопытного животного, овцы, которое ничем не ограничивалось в своей подвижности. Шесть месяцев съема сигналов мозга позволили ученым накопить достаточное количество данных, произвести спектральный анализ сигналов и вычислить значение ширины полосы пропускания. Все эти качественные показатели сигналов почти полностью соответствуют показателям сигналов, полученных с матриц электродов, внедренных в мозг хирургическим путем.



Электрод-стент изготовлен из нитинола, биологически нейтрального сплава никеля и титана Он представляет собой "трубку", диаметром 3 миллиметра и длиной 3 сантиметра, имеющей мягкую решетчатую поверхность, на которой укреплены крошечные дискообразные электроды. Помещенный внутрь вены такой электрод принимает форму вены и абсолютно не мешает процессу кровообращения. Полосы пропускания сигналов таким электродом достаточно для обеспечения съема электрических сигналов от 10 тысяч отдельных нейронов.

"В течение нескольких первых дней после внедрения электрод-стенд давал крайне нестабильный сигнал, что объясняется вмешательством в его работу шумов, создаваемых потоком крови" - рассказывает Томас Оксли (Thomas Oxley), ученый-невролог из университета Мельбурна, - "Но после шести дней пребывания в вене электрод начал выдавать более сильные и более четкие сигналы. Проведенная ренгенография показала, что внешняя оболочка электрода просто вросла в стены кровеносного сосуда, которые стали защитой от внешних шумов. А полное отсутствие процессов отторжения демонстрирует высокую биологическую совместимость устройства".

Электрод stentrode позволяет произвести запись сигналов с частотой до 190 Герц. "Эти высокочастотные сигналы, находящиеся в диапазоне от 70 до 200 Гц, являются наиболее информативными, в них содержится масса информации от моторной коры мозга и эти сигналы являются самым полезным видом сигналов для реализации прямых интерфейсов мозг-компьютер" - рассказывает Томас Оксли.

Пока австралийские исследователи не производили никаких попыток расшифровки полученных при помощи электродов-стентов сигналов. Для этого потребуется как минимум внедрение этих электродов в более высокоразвитое животное, к примеру, в обезьяну. "Однако, вены лабораторных обезьян, макак-резусов, очень тонки для введения в них стента. Мы планируем начать сразу с внедрения этих электродов в вены человека-добровольца и после этого можно будет приступать к попыткам расшифровки сигналов, снятых из его мозга" - рассказывает Томас Оксли. Испытания электродов на добровольцах планируется начать в конце 2017 года, а в качестве добровольцев будет выступать группа парализованных пациентов, проходящих лечение в Королевской больнице Мельбурна, Австралия.


Источник

Компания Google начинает первые испытания в реальных условиях воздушных шаров системы интернет-доступа "Project Loon"

Мы уже рассказывали нашим читателям о сервис предоставления глобального доступа в Интернет под названием "Project Loon", реализацией которого занимаются специалисты компании Google. Первой страной, которая получит широкополосное покрытие в рамках этого проекта, станет Шри-Ланка, и в начале этой недели специалисты Google уже начали первое тестирование системы "Project Loon" в реальных условиях. Эти испытания являются первым этапом внедрения системы, после которого начнется создание совместного предприятия, в которое войдет компания Google и компания Colombo из Шри-Ланки, которая является ведущей государственной организацией IT-сектора этой страны.

Один из трех воздушных шаров системы "Project Loon", которые будут задействованы в испытаниях, уже вошел в воздушное пространство Шри-Ланки, будучи запущенным с территории Южной Америки. Сейчас это воздухоплавательное средство находится в южном районе страны, а группа технических специалистов компании Google с поверхности Земли производит испытания систем управления полетом, измерениями спектра радиосигнала, ширины полосы пропускания радиоканала и решает другие вопросы технического плана.

Следует отметить, что доля правительства Шри-Ланки в будущем совместном предприятии составит 25 процентов, а еще 10 процентов придется на долю нескольких интернет-провайдеров Шри-Ланки, которые сейчас предоставляют доступ по всей стране при помощи проводных технологий, можно сказать технологий прошлого века. Правительство Шри-Ланки не вкладывает капиталовложений в будущий проект, ее долей участия в проекте станет выделение диапазона радиочастотного спектра, в котором будет осуществляться обмен данными между коммуникационным оборудованием на высотных воздушных шарах, наполненных гелием и парящих в стратосфере, и оборудованием наземных базовых станций.



Воздушные шары "Project Loon" будут находиться в районе нижних слоев стратосферы, верхнего слоя атмосферы Земли, на высоте, в два раза большей высоты полетов авиалайнеров коммерческих авиалиний. Срок службы одного воздушного шара составляет 180 суток, но если после приземления его удастся найти и подобрать, то оборудование и оболочку можно будет использовать повторно.

И в заключение следует отметить, что Шри-Ланка является первой страной в Южной Азии, которая запустила мобильную связь в 1989 году, а первые 3G-сети в этой стране появились в 2004 году. В настоящее время в этой стране, имеющей население в 20 миллионов человек, насчитывается более 630 тысяч стационарных подключений и порядка 3.3 миллиона подключения с мобильных устройств. Новый сервис предоставления глобального доступа к Интернету позволит не только увеличить площадь зоны покрытия, он станет основой для расширения зоны покрытия 4G-сетей, которые обеспечивают более высокоскоростной доступ и первые из которых начали появляться в этой стране уже два года назад.

Источник

Россия планирует отправить на космическую станцию собственного гуманоидного робота Т-101

Буквально наступая на пятки США и Китаю, Россия занимается созданием нового гуманоидного робота, опытный образец которого в будущем может отправиться на борт Международной космической станции. В настоящее время уже существуют два опытных образца таких роботов, один из которых получил имя Федор, и которые проходят программу испытаний на Земле. После этих испытания и всех необходимых доработок эти роботы смогут взвалить на свои плечи часть рутинных работ и работ, выполнение которых слишком опасно для людей, в том числе и работ во время выходов в открытое космическое пространство.

"Эти роботы изначально создавались в военных целях. Но мы не будем ограничиваться только этой областью, еще одним приоритетом является использование робототехники в космосе" - рассказывает Дмитрий Рогозин, - "Сейчас наши специалисты ведут разработку робота-аватара, который станет постоянным членом экипажа орбитальной станции. А в дальнейшем наша работа будет направлена на создание совершенных роботов с системами синтетического видения и искусственным интеллектом".



У роботов серии Т-101 имеется туловище с двумя манипуляторами-руками, обладающими достаточной подвижностью и ловкостью для того, чтобы манипулировать различными объектами в режиме дистанционного управления (аватара) или полностью в автоматическом режиме. Дистанционное управление роботом осуществляется оператором, который одет в специальный костюм, позволяющий отследить и оцифровать все движения человека. Снятые костюмом данные передаются системе управления роботом, который в точности повторяет все движения человека.

"Робот не имеет ни одной отрицательной стороны "человеческого фактора". Он никогда не отвлекается, никогда не болеет, не имеет эмоций и всегда сосредоточен на выполнении поставленной перед ним задачи" - рассказывает Сергей Хурс, руководитель программы "Спасатель", нацеленной на создание гуманоидных роботов, - "Кроме этого, с помощью имеющихся робототехнических технологий наши инженеры уже спроектировали и изготавливают опытный образец экзоскелета, предназначенного для увеличения силы и выносливости солдат и космонавтов".



В прошлом году подрядчик Китайского космического агентства, Корпорация космических технологий и науки (Aerospace Science and Technology Corporation), представила свой собственный вариант гуманоидного робота для использования в космосе, внешность которого буквально скопирована с костюма Тони Старка, главного героя серии научно-фантастических фильмов "Железный человек". Этот робот, раскрашенный в красный и золотистый цвета, имеет название "Xiaotian", что в переводе с китайского означает "Маленькое небо". Он способен выполнять ряд сложных работ, требующих манипуляций различными объектами, в том числе и специализированным инструментом. Китайское космическое агентство планирует использовать этого робота на собственной космической станции, для исследований Луны и в других миссиях по изучению различных космических объектов с максимальной степенью автоматизации.



Но самых больших успехов в деле роботизации космоса добилось американское космическое агентство НАСА. Их почти 2.5-метровый робот Robonaut 2, оборудованный дополнительными манипуляторами вместо нижних конечностей, работает на борту Международной космической станции с 2012 года. А более совершенная его версия, которая разрабатывается на Земле, отправится в космос в 2017 году, после чего робот "рискнет" в первый раз выйти в открытый космос.


Источник