Куда идут системы технологических новшеств/ Техно-обзор Фиговского
Ученые различных стран работают над созданием новых систем технологий.
Так, ученые из США и Бельгии представили технологию, которая позволяет эффективно переводить тепловую энергию в электрическую.
Как объяснили авторы работы, такие устройства полезны, так как тепловая энергия является побочным продуктом работы двигателей внутреннего сгорания. «Примерно половина энергии, которую мы используем, переходит в атмосферу в виде теплоты. Твердые термоэлектрики могут вернуть часть этой энергии. Эти устройства не имеют подвижных частей, не изнашиваются и не требуют обслуживания. К сожалению, сейчас они слишком дороги и недостаточно эффективны, чтобы быть широко распространенными. Мы работаем, чтобы это изменить», ? пояснил один из авторов исследования, постдок из Университета штата Огайо Стивен Буна.
В своей последней работе ученые вместо тонких пластин платины использовали никель с вкраплениями платины, который смог дать напряжение от нескольких нановольт до десятков и сотен, более мощное, чем прежде, благодаря эффекту Зеебека. Это немного, однако для большинства простых приборов может быть изготовлено устройство большего размера и более мощное.
Одним из компонентов этой технологии является создание «искусственной мышцы».
Химики и инженеры из Колорадского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде разработали прозрачный самозаживляющийся эластичный проводящий материал, который можно использовать для производства аккумуляторов, электронных приборов и роботов.
Данный материал может сильно растягиваться, превышая первоначальные размеры в 50 раз. Механические повреждения на нем восстанавливаются за сутки при комнатной температуре, причем это работает без внешних стимулов даже при разделении материала на несколько частей, и свойства восстанавливаются полностью.
По мнению авторов технологии, разработанный материал сделает роботов способными «заживлять» механические повреждения, продлит срок работы литий-ионных аккумуляторов, повысит чувствительность биосенсоров, применяемых в медицине и мониторинге окружающей среды. Также его можно использовать при создании «искусственной мышцы» ? материала или устройства, способного сокращаться, удлиняться или скручиваться под воздействием тока, давления, температуры.
Этому направлению, но уже на микроуровне, следует и создание органической электроники.
Жизнь на Земле началась с создания среды обитания. Процесс этот, по сути, есть квантовое преобразование энергии солнечного фотона, направляемой на расщепление фотолиз воды. В итоге образуется энергоемкий положительно заряженный ион водорода, транспорт которого дает энергоемкую АТФ (аденозин-трифосфорную кислоту). Атомы кислорода двух расщепленных молекул воды объединяются в кислородную молекулу, которая в силу своей агрессивности «выбрасывается» в атмосферу, обогащение которой этим газом позволило жизни выйти на сушу.
Технологическому повторению этого изумительного по своей точности и эффективности процессу мешают сложность и капризность составных элементов квантовых систем. Их функционирование возможно лишь при строго определенных условиях. Квантовые эффекты трудно воспроизводимы в макромире. Так, сверхпроводимость пока возможна лишь при охлаждении до криогенной температуры (высокотемпературной сверхпроводимостью считается сверхпроводимость при 110 градусах ниже нуля по Цельсию).
То, что современная наука открывает буквально каждый день, давно уже «известно» в природе, оперирующей атомами и их частицами – электронами и ионами, переносящими как отрицательные, так и положительные заряды. Известно, что в мембранах-оболочках клеток имеются особые протеины, имеющие ионные каналы, по которым в клетку и из клетки проводятся ионные токи.
Взять хотя бы наружную оболочку кишечной палочки (E.coli) – она имеет две оболочки, между которыми «плещется» периплазма. Структурную целостность этой сложной молекулярной структуры обеспечивают ионы кальция, поддерживающие сеть электростатических взаимодействий с фосфором и углеродами жиров и сахаров среднего слоя, в которых принимают участие также ионы калия и хлора. Естественно, что такую сложную молекулярную систему современные технологии воспроизвести не могут, хотя искусственные мембраны делать уже научились.
Не могут нанотехнологи и создавать динамические системы регуляции активности ионных каналов в клеточных мембранах, хотя для клеток это не составляет труда. Одним из примеров являются протеины натриевых каналов в оболочках клеток сердечной мышцы (миокарда). Сокращение миокарда четко регулируется сигналами, приходящими по веточкам блуждающего нерва (n. Vagus). Сигнал, приходящий через нервно-мышечное соединение, в первую очередь стимулирует небольшой выброс кальция, ионы которого активируют белок кальмодулин, являющийся модулятором протеиновой подвижности в мембране. Кальмодулин «сцепляет» воедино две молекулы ионных каналов, проводящих ионы натрия.
После образования молекулярной пары каналы становятся функционально активными и «ждут» только прихода электрического сигнала для осуществления сокращения. Нарушения в этой сложной системе приводят к аритмии и внезапной остановке сердца.
Повторим: ничего подобного биотехнология создать пока не может. Тем не менее она уже способна воссоздать протеиновую матрицу, позаимствованную у прибрежных моллюсков, способных при наличии воды «прилипать» к любой поверхности. Двустворчатые моллюски называются брюхоногими, так как «выпячивают» мышечную ногу, из борозды которой выделяется клейкий протеин, образующий прочный монослой на приглянувшейся раковинному организму поверхности. Гены нескольких вариантов этого белка получили сокращенное название MFP (Mussel Foot Protein).
Удивительной их особенностью является то, что поперечные связи между их цепями образуются с помощью допамина. До сих пор внимание к последнему было привлечено как к одному из нейромедиаторов, нарушения в генерации которого ведут к болезни Паркинсона! На основе MFP созданы также хирургические клеи.
Наноэлектронику, однако, связь интересующего их протеина с нейробиологией волнует мало. Ей важно то, что прочная матрица обеспечивает прекрасную 2D-подложку, или субстрат для «привязки» на ней органических полевых транзисторов. (До сих пор в микроэлектронике эту роль субстрата выполняет кремний.) И если одна из «разработок» природы позаимствована у моллюсков, то другую уже опробовали на мышах.
Выше речь шла об ионах, пронизывающих наружную оболочку кишечной палочки. Но у бактерий есть и собственные ионные каналы, помогающие им четко реагировать на свет и изменение химических условий среды (фото? и хемиотаксис). В силу примитивности микробных клеток гены их каналов значительно меньше таковых у млекопитающих. Тем не менее после переноса в клетки сердечной мышцы мыши они синтезируют вполне функциональные протеины каналов, что доказано в опытах на мышах. У животных с выключенным геном натриевого канала сердечной мышцы с помощью бактериальных генов удалось предупредить развитие сердечной аритмии.
У самой E.coli путем манипулирования генами ионных каналов удалось получить токопроводящие и изолирующие клетки. «Изолянтов» удалось также перевести в разряд электрически активных с помощью переноса гена, кодирующего синтез натриевого и калиевого каналов, а также белка коннексина (от англ. connect). Последний присутствует в межклеточных контактах и обеспечивает обмен электрическими сигналами между клетками.
Генная триада «работала» и в невозбудимых клетках кожи, сердца и мозга, которые после переноса стали электропроводными, причем с приличной скоростью. А увеличение скорости проведения электрических сигналов обеспечивал ген бактериального натриевого канала.
Так что наноэлектронике есть чему учиться у биотехнологии.
Основой альтернативной энергетики является фотосинтез.
Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсических веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому ученые ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.
В природе фотокатализ встречается у растений: при участии хлорофилла он обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведен искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. В 2014 году американские исследователи разработали такой материал ? люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы.
В новой работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.
Тесты показали, что новое устройство ускоряет синтез химических соединений при солнечном свете: даже в облачную погоду скорость реакций в микрореакторе на 40 процентов превышала показатель контрольных систем. Потенциально технология может не только снизить стоимость и упростить химический синтез, но и сделать возможным создание препаратов в условиях, где оборудовать чистое помещение затруднительно, ? например, на поверхности Марса или в джунглях.
Группе исследователей из Католического университета Чили под руководством профессора Тамаса Эгана удалось создать полностью функциональную искусственную кожу на основе микроводорослей, которые можно найти практически в любом чистом водоеме. Причем получившаяся кожа от привычной отличается достаточно сильно: она зеленого цвета и способна продуцировать кислород.
В любой искусственной коже отсутствуют кровеносные сосуды, а, значит, без снабжения кислородом она будет отмирать. Кожа на основе микроводорослей же сама производит кислород и благодаря этому способна «жить» до 10 дней. За это время в трансплантат врастают кровеносные сосуды, а затем кожа постепенно теряет зеленую окраску, приобретая нормальный цвет. При помощи такой кожи можно будет эффективнее лечить различные травмы, так как она не препятствует доступу воздуха к ране и тем самым способствует заживлению, не давая инфекции попасть в организм.
Водорослевая кожа уже протестирована на животных, а эксперименты с участием человека запланированы на начало 2017 года. Стоит сказать, что у профессора Энгана в планах намечена модификация кожи: есть возможность изменить клетки водорослей таким образом, чтобы они продуцировали не только кислород, но и, скажем, антибиотики или противовоспалительные вещества. В таком случае использование искусственной кожи будет еще более безопасным для конечного пациента, а процесс регенерации будет протекать с меньшим количеством осложнений.
Гибкая и прозрачная электроника является одним из главных направлений в разработке электронных устройств нового поколения, устройств, которые можно полностью интегрировать прямо в одежду или в предметы повседневного обихода. Самым традиционным способом изготовления гибкой электроники является печать элементов на основании при помощи специальных чернил, но исследователи из университета Иллинойса в Чикаго и Корейского университета разработали новый способ изготовления прозрачных токопроводящих пленок, которые смогут стать основой тончайших дисплеев, способные сворачиваться в рулоны, и другой гибкой электроники. Для создания токопроводящей пленки исследователи создали коллоидный водный раствор, наполнителем которого являются серебряные нанопроводники. Это раствор был распылен при помощи так называемое сопла Лаваля, сопла, сужение которого напоминает сужение у песочных часов. Такие сопла широко используются в реактивных двигателях, но в данном случае размер этого сопла составлял всего несколько миллиметров.
Сужение сопла ускоряло содержащую нанопроводники жидкость до сверхзвуковых скоростей. За время полета в воздухе жидкость успевает испариться, а нанопроводники, ударяясь о поверхность основания, сплавляются друг с другом за счет тепла, выделяющегося от трения и от энергии удара.
«Скорость в 400 метров в секунду является идеальной для такого процесса» ? рассказывает Александр Ярин, профессор из университета Иллинойса, ? «Если скорость будет слишком высока, к примеру, 600 метров в секунду, нанопроводники будут разрушены еще в полете. А если скорость будет слишком низкой, то энергии столкновения и трения будет недостаточно для получения высокой температуры, которая сплавляет проводники друг с другом». Использованные исследователями нанопроводники имеют длину около 20 микрон и толщину, в 1000 раз меньшую толщины человеческого волоса. Это означает, что свет видимого диапазона проходит сквозь сетку из таких нанопрводников практически без потерь. А пленка, покрытая такой сеткой, остается прозрачной как стекло, но все же способна эффективно проводить электрический ток. Сетка из нанопроводников может напыляться сверхзвуковым способом на поверхность стекла, пластика вне зависимости от сложности формы этой поверхности. Производительности одного сопла хватает для покрытия 100 квадратных сантиметров поверхности всего за 30 секунд времени. Будучи нанесенной на поверхность эластичного основания, сетка из нанопроводников способна выдержать растяжение в семь раз по отношению к ее первоначальной длине.
Прозрачные проводники это один из важнейших элементов сегодняшних электронных и оптоэлектронных устройств ? дисплеев, светодиодов, солнечных батарей и пр. Большинство из них созданы на оксида индия и олова (ITO), материала, который предлагает редкое сочетание высокой прозрачности и низкого сопротивления. При этом он хрупок, а изготовление его обходится дорого и требует использования высоких температур.
Поиски альтернативного решения, способного заменить ITO, особенно в приложениях гибкой и носимой электроники, не принесли удовлетворительных результатов: легированный алюминием оксид цинка (AZO), углеродные нанотрубки, металлические нанопровода, сверхтонкие металлы, электропроводящие полимеры и графен – ни один из этих материалов пока не продемонстрировал оптимальный набор характеристик.
Поэтому большой интерес представляет работа, выполненая сотрудниками барселонского Института фотоники (ICFO). Разработанный ими многослойный прозрачный проводник изготовляется при комнатной температуре и обладает высокой механической гибкостью.
Проводник состоит из сверхтонкой плёнки серебра покрытой сверху и снизу слоями AZO и двуокиси титана. Толщина каждого из этих покрытий точно выверена, так, что в результате интерференции оптические потери снижаются примерно до 1,6%.
Оптическая проводимость в видимом диапазоне превышает 98%, а по коэффициенту добротности новый материал в четыре раза превосходит ITO.
«Использовав несложную конструкцию, мы получили прозрачный проводник с наивысшей эффективностью на сегодня и с другими примечательными качествами, необходимыми для соответствующих приложений в индустрии», – отметил руководитель работы, профессор ICFO Валерио Прунери (Valerio Pruneri).
Несмотря на множество усилий, прикладываемых учеными из различных стран и организаций, люди так и не получили пока возможность создания полноценных и универсальных квантовых компьютеров. Однако момент появления первых квантовых компьютеров стал на один большой шаг ближе благодаря работе ученых из университета Сассекса (University of Sussex). Они разработали и испытали новый способ регулирования напряжения, прикладываемого к ионам, выступающим в роли квантовых битов. И это позволяет системе обойтись без использования лазеров, что, в свою очередь, является сейчас непреодолимым препятствием к созданию крупномасштабных квантовых вычислительных систем.
В настоящее время на свете существует несколько простейших квантовых вычислительных систем. К примеру, это система компании IBM с несколькими кубитами, которая доступна онлайн, а ученые Бристольского университета разработали систему с двумя кубитами, которая может выполнять некоторую полезную работу. Но эти и другие подобные системы практически невозможно расширить и дополнить, ведь каждый из пойманных в ловушке ионов управляется при помощи луча отдельного лазера. И очень тяжело даже представить себе, как будет выглядеть квантовая вычислительная система с сотнями тысяч и миллионами кубитов. Ученые из Сассекса искали пути, позволяющие избавиться от необходимости использования лазерного света. Для управления квантовым состоянием ионов они использовали управляющий электрический потенциал, подаваемый на соответствующие элементы квантового чипа, своего рода квантового процессора. И в конечном результате ученые получили при помощи нового метода контроля уровень ошибок, которые практически равен уровню ошибок, возникающих в квантовых системах с лазерным управлением. Созданный учеными из Сассекса квантовый процессор является не первым процессором, в котором используется несколько кубитов, которые традиционно запутываются при помощи фотонов света. Для запутывания некоторого числа кубитов требуется наличие соответствующего числа запутанных друг с другом фотонов света, и в новой версии квантового процессора все это делается без сложных манипуляций с лучами лазерного света и без необходимости использования громоздких оптоэлектронных устройств. Изменяя значение прикладываемого к отдельным ионам-кубитам электрического потенциала, исследователи могут не только управлять работой квантовых логических элементов, состоящих из нескольких кубитов. Этот метод также позволяет динамически запутывать и «распутывать» пары квантовых битов, меняя конфигурацию логического элемента буквально на лету.
«То, чего нам удалось добиться, может в корне изменить все правила игры на поле технологий квантовых вычислений» ? рассказывает Винфрид Хензингер (Winfried Hensinger), профессор из университета Сассекса, ? «Новый метод создания и управления запутанными кубитами не требует использования большого количества лазеров и другого оборудования. Это позволит в будущем создать небольшие квантовые компьютеры, которые можно будет использовать в любых практических целях. И, по мере дальнейшего развития данной технологии мы построим первый такой компьютер в стенах нашего университета».
В состав исследовательского подразделения компании Intel входит группа инженеров, базирующаяся в Портленде, Орегон, и специализирующихся на разработке аппаратных средств для технологий квантовых вычислений. В настоящее время специалисты этой группы начали совместную работу со специалистами Квантового научно-исследовательского института QuTech Технологического университета Дельфта, Нидерланды. Задачей, которую решает эта объединенная группа, является создание кремниевых квантовых битов, кубитов, которые станут основой будущих масштабируемых квантовых компьютеров. И совместная работа исследователей начала приносить первые результаты, ученым уже удалось наладить производство стандартных подложек, покрытых слоем ультрачистого кремния, на котором будут создаваться структуры кремниевых квантовых битов. Такая стратегия ставит компанию Intel обособленно от других промышленных и академических групп, работающих над разработкой квантовых битов различного типа и других компонентов квантовых вычислительных систем. Усилия этих групп уже привели к созданию простейших систем, состоящих всего из нескольких кубитов. Но для создания полноценного и универсального квантового компьютера потребуются процессоры, содержащие тысячи или миллионы кубитов. Согласно информации, предоставленной Джимом Кларком (Jim Clarke), возглавляющим данное направление, компания надеется выйти на означенный выше рубеж количества квантовых битов в не очень далеком будущем. И ключевым моментом этого станет использование кремния, хорошо изученного материала, из которого делают кристаллы обычных полупроводниковых чипов, содержащих миллиарды транзисторов. Кремниевые кубиты по структуре не будут сильно отличаться от транзисторов и их можно будет изготавливать в любых количествах при помощи стандартного технологического оборудования. По предварительной информации, основой работы кремниевых кубитов, разрабатываемых компанией Intel, станет спин, направление вращения, отдельного электрона, пойманного в ловушке, представляющей собой модифицированный полевой транзистор. «Мы уже достаточно давно научились делать неплохие транзисторы. Изменив немного используемые материалы, структуру этих транзисторов, мы получим вполне работоспособные квантовые биты» ? рассказывает Джим Кларк. Еще одной причиной, которая заставляет исследователей работать над кремниевыми кубитами, является то, что они должны быть более надежными, нежели их «собратья», работающие за счет явления сверхпроводимости. Предполагается, что кремниевые кубиты, использующие слабые квантовые эффекты, смогут работать при комнатной температуре, обеспечивая уровень ошибок, сопоставимый с уровнем ошибок низкотемпературных квантовых битов.
Мне не хочется заканчивать этот мой новогодний обзор только рассмотрением успехов науки и технологий за рубежом. Несмотря на спад в мировой экономике, и в России продолжают реализовываться новые бизнес-инициативы. И здесь я хотел бы привести несколько положительных примеров, к сожалению, в основном в сфере информативных технологий.
Prisma – разработка российской компании Prisma Labs для мобильных устройств, соцсетей и онлайн-сервисов, стилизующая фотографию под живописное полотно. Созданная экс-сотрудником Mail.ru Group Алексеем Моисеенковым программа работает, используя алгоритмы нейронных сетей. В отличие от ранее существовавших приложений по обработке фото, Prisma не просто накладывает фильтры на фото, а анализирует их, после чего полностью перерисовывает в стиле знаменитых художников различных эпох.
Вслед за обработкой фото приложение освоило и видеотрансляции, после чего было запрещено в Facebook – компания увидела в нем конкурента, в свою очередь Google и Apple назвали российский стартап лучшим приложением года.
МУЛЬТиКУБИК – портативный мини-проектор (за рубежом реализуется под маркой CINEMOOD) в виде небольшого по размерам куба, позволяющий смотреть мультфильмы и диафильмы на любой светлой ровной поверхности, например, потолке или стене. Способен проецировать изображение диагональю до 300 см на расстоянии от 25 до 380 см до поверхности экрана. Адаптирован для сохранения здоровья детских глаз, поэтому яркость изображения не превышает 35 люмен. Картинка выводится в формате 16:9, в разрешении до 1080 пикселей.
Replika – новинка от компании Luka, ранее отметившейся разработкой мессенджера с чат-ботами. Российская компания предлагает пользователям сервис, создающий виртуального собеседника с помощью технологий искусственного интеллекта. По словам разработчиков, на эту идею их вдохновил фильм «Она» Спайка Джонса, главный герой которого влюбился в интеллектуальную операционную систему.
Сервис делает только первые шаги, но ожидается, что в перспективе сможет поддерживать беседу с пользователем и выступать в роли его секретаря для других пользователей. В программу заложены функции саморазвития, в том числе при помощи соцсетей, в которых присутствует ее владелец.
Cardberry – российский стартап, вызвавший интерес во всем мире. Представляет собой электронную карту, которая объединяет в себе все карты, принадлежащие пользователю. При помощи ридера и перезаписываемой карты клиент считывает имеющиеся у него накопительные, подарочные, скидочные и бонусные карты, карты лояльности различных ТСП, которые заносятся в приложение Cardberry. При расчете в магазине он на смартфоне, синхронизированном с приложением, выбирает нужную карту – необходимость носить их все с собой отпадает.
Flashsafe – так называемая безобъемная флешка, через которую информация загружается на облачное хранилище, расположенное в Мировой паутине. Данные каждого пользователя зашифровываются, благодаря чему их хранение становится безопасным и анонимным. Российская разработка имеет встроенное программное обеспечение, которое позволяет подключаться к сохраненной информации с любого устройства и является своеобразным ключом, избавляя пользователя от необходимости заходить в почту, вводить логин и пароль.
SVET – российский стартап по производству светодиодных лампочек, имитирующих естественное освещение. Причем в зависимости от времени суток устройство может менять интенсивность освещения, его можно подстроить под индивидуальные запросы. По задумке разработчиков подобный подход позволяет сохранить психологическое и физическое здоровье человека, обеспечить его большую стрессоустойчивость. Несмотря на то, что SVET – российская компания, на данный момент ее работа направлена в большей степени на зарубежную аудиторию.
На данный момент существует еще ряд российских разработок, работающих на зарубежную аудиторию.
«Умная» технологическая разработка под названием MoyGrafik – сервис, позволяющий контролировать опоздания сотрудников компаний, а также их нахождение на рабочем месте. Не требует установки на ПК, работает круглые сутки, регистрация персонала происходит при помощи перехода на страницу приложения с помощью смартфонов, автоматически при подключении к Wi-Fi, идентификация лица происходит на планшете с установленным приложением. Система автоматически формирует отчеты о начале смены и отправляет их руководству.
WeatherBox – «коробка погоды», устройство, внешне похожее на аквариум и электрокамин одновременно, способное показывать погоду в 200 тыс. городах мира. При помощи встроенного генератора пара, водного насоса и светодиодов аппарат имитирует облачность, туман, дождь и снег, при этом на цифровом экране фиксируется текущая или ожидаемая температура воздуха на пять дней вперед. Для работы установки требуется три литра воды, подключение к Wi-Fi и электросети, а также установка приложения WeatherBox, которое будет автоматически обновлять прогноз погоды каждые полчаса.
Именно эти реализованные российские технологии позволяют надеяться, что есть какие-то проблески возможностей выхода России к новому технологическому переделу. Эти возможности, увы, очень ограничены общей ситуацией в стране, которая становится все более мрачной.
системы технологий
10.01.2017, 3711 просмотров.
