9.1. Вопросы для самопроверки
1. Что такое вепольный анализ? Дайте определение.
2. Что такое веполь? Дайте определение.
3. Что такое вещество в вепольном анализе? Дайте определение. Виды веществ.
4. Что такое поле в вепольном анализе? Дайте определение. Виды полей.
5. Назначение вепольного анализа. Виды использования вепольного анализа. Представление исходной структуры задачи. Получение структурного решения задачи. Перспективы развития структуры системы.
6. Виды связей.
7. Виды вепольных структур. Назовите их.
8. Что такое невепольная система? Дайте определение.
9. Что такое комплексный веполь? Виды комплексного веполя.
10. Что такое внутренний комплексный веполь, внешний комплексный веполь, комплексный веполь на внешней среде, комплексный веполь на видоизмененной внешней среде? Приведите примеры.
11. Что такое цепной веполь?
12. Что такое двойной веполь?
13. Виды устранения вредных связей.
14. Нахождение технологического эффекта.
15. В чем специфика использования вепольного анализа для информационных систем?
16. Чем отличается новое представление вепольного анализа?
17. Как называется вепольный анализ для информационных систем?
18. Каковы закономерности развития знаний?
19. Опишите закономерности развития нового вида вепольного анализа для информационных систем.
20. Опишите вепольный анализ для систем обработки информации.
21. Опишите закономерности развития систем обработки информации.
9.2. Темы докладов и рефератов
1. История развития вепольного анализа. Покажите изменения в вепольном анализе.
2. Тенденции развития вепольного анализа.
3. Вепольный анализ будущего.
4. Вепольный анализ для информационных технологий.
9.3. Выполните задания
1. Приведите примеры различных видов веществ (элементов), полей (действий) и знаний.
1.1. Приведите примеры различных веществ (элементов).
1.2. Приведите примеры различных полей (действий).
1.3. Приведите примеры различных знаний.
2. Построить вепольные структуры для примеров.
2.1. Пример 9.1. Турбина реактивного двигателя
Турбины реактивных двигателей работают при высоких температурах. Чтобы сохранить прочностные свойства лопаток турбин, приходится в исходный материал добавлять легирующие добавки, например кобальт, который увеличивает в значительной мере стоимость турбины, но придает ей устойчивость к высоким температурам. Компания «Пратт энд Уитни» (Pratt & Whitney) разработала технологию изготовления лопаток, позволяющую снизить содержание в них кобальта на 30%. Для этого лазером сверлят в лопатках мельчайшие отверстия. Воздух, проходящий через отверстия, охлаждает лопатки, и, кроме того, снижается аэродинамическое сопротивление. Таким образом, турбины можно изготовить из менее жаропрочного материала.
2.2. Пример 9.2. Борьба с кавитацией
Кавитация вызывает эрозию (разрушение) материала устройств, где она происходит. С кавитацией пытаются бороться, при этом достаточно важно, чтобы кавитация подавлялась равномерно. Предложено для подавления воздействовать на кавитационные пузырьки ультразвуковыми колебаниями в диапазоне частот от 1 до 50 кГц.
2.3. Пример 9.3. Измерение мощности
Калориметрический метод измерения мощности. Для измерения мощности, поглощаемой нагрузкой в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне, определяется количество тепла, отдаваемое нагрузкой рабочему телу (воде), причем часто само рабочее тело используется как нагрузка. С помощью измерительного узла регистрируется температура рабочего тела и по ее значению определяется значение мощности.
2.4. Пример 9.4. Декоративный светильник
Известны декоративные светильники, использующие оптоволокно. Такой светильник (рис. 9.1) состоит из лампы, рефлектора, температурного фильтра и светофильтра, соединительной головки и оптоволоконного кабеля. В этом светильнике светофильтр был один и жестко закреплен.
Составьте вепольную схему.
Рис. 9.1. Декоративный светильник из оптоволокна
Изобретен декоративный светильник, который с изменением атмосферного давления меняет цвет (рис. 9.2). В данном изобретении светофильтры закреплены на гофрированной вакуумной камере, которая меняет свой объем в зависимости от атмосферного давления и передвигает разноцветные светофильтры.
Рис. 9.2. Декоративный светильник. А. с. 779 726
1 — сферический корпус из термостойкого пластика, состоящий из верхней полусферы А и нижней полусферы Б, 2 — опора, 3 — отверстие в нижней части корпуса, 4 — вентиляционное отверстие, 5 — горловина, 6 — кольцевая скобка, соединяющая половины А и Б, 7 — световоды, вмонтированные в горловину 5, 8 — основа, 9 — герметичная гофрированная вакуумная камера, 10 — стойка, 11 — отражатель, 12 — источник света, 13 — питающий электрический шнур, 14 — направляющая, 15 — рычаг, 16 — шарнир, 17 — закрепление рычага, 18 — светофильтр (светопропускающая пластина, разграниченная на отдельные цветовые секторы), 19 — светоотражающие козырьки.
2.5. Пример 9.5. Страховой канат
Предложен страховочный канат переменной жесткости. Канат имеет петлю, которая соединена связкой, имеющей меньшую прочность на разрыв, чем у каната (рис. 9.3). При срыве человека рвется, прежде всего, связка, гася часть энергии падения.
Рис. 9.3. Страховочный канат
2.6. Пример 9.6. Канат с амортизатором
При сильном ветре рвется канат, связывающий якорь и катер. М. Лобов из Пензы предложил (аналогично предыдущему примеру) сделать петлю из каната и соединить ее резиновым бинтом (рис. 9.4). Такие петли делаются в месте крепления каната к якорю и к катеру.
Рис. 9.4. Канат с амортизатором
2.7. Пример 9.7. Линия электропередач
Линия электропередач с участком провода, образующим петлю, параллельно которой установлен элемент, предохраняющий провод от обрыва при сверхрасчетных механических нагрузках, отличающаяся тем, что, с целью упрощения линии, элемент, предохраняющий провод от обрыва, выполнен в виде перемычки с механической прочностью, меньшей, чем механическая прочность провода линии.
3. Определите, какой это вид знаний.
3.1. Пример 9.8. Приток и отток холодного молекулярного газа
В астрофизике давно известны приток и отток холодного молекулярного газа, встречающиеся на просторах Вселенной. Но только недавно коллектив астрономов Европейской южной обсерватории (ESO) выявил причину этих процессов, обнаружив колоссальный «фонтан» молекулярного газа. Он находится в самой яркой галактике скопления Abell 2597, расположенного на расстоянии миллиарда световых лет от Млечного пути в созвездии Водолея.
Данные наблюдений говорят о том, что «фонтан» подпитывается энергией расположенной в ядре галактики сверхмассивной черной дыры. Она выбрасывает в пространство мощную струю холодного молекулярного газа, который затем выпадает обратно в виде межгалактического «ливня».
Чтобы лучше понять, как устроен процесс, ученые воспользовались помощью комплекса ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Было обнаружено, что холодные молекулы с температурой до минус 250—260° C падают по направлению к черной дыре. Наряду с этим, астрономы при помощи смонтированного на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) приемника MUSE проследили и движение более теплого газа, который выбрасывается из окрестностей черной дыры.
Оба массива данных позволили сформировать полную картину процесса. Холодный газ падает в направлении черной дыры, выделяя в ее окрестностях огромное количество энергии, что приводит к образованию быстродвижущихся джетов, состоящих из раскаленной плазмы. Джеты активно выбрасывают вещество из области черной дыры, образуя великолепный галактический «фонтан». Но, не имея не малейшего шанса вырваться из гравитационных объятий своей галактики, эта плазма охлаждается, замедляется и, в конце концов, выпадает обратно на черную дыру, после чего цикл повторяется заново.
3.2. Пример 9.9. Генетика
В соответствии с положениями классической генетики приобретенные в течение жизни свойства живых организмов не наследуются, если при этом не изменяется структура ДНК, находящейся в ядре соответствующих клеток, отвечающих за наследственность. Однако это положение не могло объяснить успехи практической гибридизации животных и растений, позволяющие получать новые и наследуемые свойства организмов в сравнительно короткое время. Ведь структура ДНК в ядре клетки очень устойчива и плохо поддается мутациям.
В последние годы успехи молекулярной и клеточной биологии позволили объяснить этот парадокс. Оказывается, в клетках организма вне ядра (в цитоплазме) тоже существует ДНК, а также информационная РНК, которая более чувствительна к внешним воздействиям и одновременно может влиять на наследственность. Одно из самых необычных проявлений РНК-интерференции и РНК-сайленсинга заключается в том, что они делают возможной неслыханную с точки зрения классической генетики вещь — наследование приобретенных признаков. Интерференция и сайленсинг не изменяют последовательности генов в ДНК, но могут управлять тем, насколько определенные гены будут активны. Действительно, легко представить, что если в клетки потомства из яйцеклетки попадут регуляторные РНК, они смогут принести с собой определенную схему, паттерн активности генов. Причем, как выясняется, этот паттерн способен наследоваться на протяжении нескольких поколений.
4. Определите, какой это вид ДаФЗ.
4.1. Пример 9.10. 3D-дисплей
В Фраунгоферовском институте (США) представлен 3D-дисплей для профессионального применения, на который можно смотреть без специальных очков. Растр на дисплее обычный, линзовый. Система обработки изображения «нарезает» изображение на вертикальные полоски (для левого и правого глаза). При этом специальная камера отслеживает положение зрителя и расстояние до экрана и в зависимости от этих данных адаптирует «нарезку» таким образом, чтобы зритель всегда находился в самом центре стереозоны.
4.2. Пример 9.11. Внешняя навигация играющих квадрокоптеров
Для управления играющими квадрокоптерами (например, перекидывающими тенисные шарики) необходимо отслеживать их положение с точностью порядка 1мм, причем много раз в секунду. Традиционные навигационные системы (GPS, инерциальные, гироскопические системы), которые могут обеспечивать требуемую точность, слишком тяжелы для размещения на квадрокоптерах. В FMA (Flying Machine Arena, США) используют систему захвата движения, известную в киноиндустрии. Восемь 4-мегапиксельных камер установлены над ареной, рядом с видеокамерами установлены светодиоды, излучение которых отражается от маркеров на летательных аппаратах. Положение каждого аппарата отслеживается с точностью 1мм и частотой 200 кадров в секунду, что после обработки позволяет посылать сигналы управления каждому квадрокоптеру 60 раз в секунду.
4.3. Пример 9.12. Новая электронная кожа
Группа исследователей из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф в Германии разработала электронную кожу, позволяющую человеку ориентироваться на местности. Исследователи действительно смогли сделать нечто подобное. Правда до способностей Тони Старка экспертам пока далеко, зато вот наделить вас возможностью без труда ориентироваться на местности при отсутствии смартфонов и вообще любых других навигационных устройств можно уже сегодня. И все это благодаря особой электронной коже.
5. Определите, какой это вид веполя
5.1. Пример 9.13. Оптогенетика
Для стимуляции конкретного нейрона исследователь использовал электрические импульсы. Это не дает необходимой точности.
Новая область экспериментальной технологии названа оптогенетикой. Нейроны возбуждают с помощью волоконной оптики. Это может использоваться, например, для разработки имплантатов, берущих на себя функции отдельных поврежденных сегментов мозга. В нервные клетки методом генной инженерии внедряют ген особо чувствительного белка chR2, который при попадании света изменяет проводимость ионных каналов. При направлении света с помощью светодиодов можно возбудить отдельные нейроны. DARPA создала проект помощи инвалидам с помощью оптогенетики.
5.2. Пример 9.14. Механофоры
Для определения состояния сооружений, например зданий, мостов и т. п., теперь при строительстве новых сооружений в них закладывают «механофоры». Это класс материалов, разработанных в Университете штата Иллинойс, которые под нагрузкой меняют свой цвет. По изменению цвета можно судить о состоянии сооружения. Разрабатываются новый класс механофоров, способных самостоятельно восстанавливать свою функциональность в случае повреждения.
5.3. Пример 9.15. Анализ сложных событий
Созданы системы обработки информации (например, StreamBase Systens и Tibco) сложных событий (нескольких событий, происходящих одновременно), способные в режиме реального времени перерабатывать огромные потоки информации, опираясь на базы данных нового типа и на алгоритмы распознавания образов. Подобные системы дают возможность принимать мгновенные решения в любой сфере — будь это сделка на фондовой бирже, приказ установить слежку за потенциальным террористом или отмена денежного перевода с подозрительной кредитки. К примеру, мобильник, снабженный приемником GPS, сможет выбирать из бесконечного потока рекламы только то, что актуально для его владельца.
5.4. Пример 9.16. Гомоморфное кодирование
Компания IBM разработала способ кодирования данных, чтобы посторонние лица могли сортировать их и выполнять поисковые манипуляции, не имея реального доступа к их содержанию. Они использовали двойную слепую схему. Она позволяет выискивать ошибки кодировки и исправлять их, не вскрывая содержимое файлов. Этот способ не требует суперкомпьютеров.
5.5. Пример 9.17. Мобильная диагностика
С помощью мобильных телефонов можно передавать медицинскую информацию из самых глухих мест в центры, где квалифицированные специалисты могут поставить диагноз. Компании Santa и Mobile Click Diagnostics создали такую возможность. Сотрудники Калифорнийского университета из Беркли и Лос-Анджелеса приладили к серийному сотовому телефону детали недорогих микроскопов. Это устройство способно записывать и анализировать микрофотографии, выявляя малярийного паразита или возбудителей туберкулеза.
5.6. Пример 9.18. Живая память: Бактерии как носитель информации
Ученые из Китая научились хранить информацию в колонии бактерий.
Исходное сообщение переводится в комбинацию цифр, которая с помощью специального алгоритма сжимается. Синтезируется соответствующий фрагмент ДНК, который заносится в бактериальную клетку. Потенциал этого метода велик. Помимо высокой плотности хранения информации расширяются условия, при которых она не теряется. Бактерии более устойчивы к перепадам окружающей сред. Бактерия Deinococcus radiodurans устойчива к воздействию жесткого излучения и почти не чувствительна к внешним электромагнитным полям. Теоретически информация может сохраняться даже при ядерном апокалипсисе.
5.7. Пример 9.19. Самолет без движущихся частей
Инженеры MIT (Массачусетский технологический университет) построили первый в мире самолет без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий самолет питается от «ионного ветра» — бесшумного, но могучего потока ионов, который создается на борту самолета, и это создает достаточную тягу, чтобы продвигать самолет для устойчивого полета.
В отличие от самолетов, работающих на турбинах, ионный самолет не зависит от использования ископаемого топлива. И в отличие от пропеллерных беспилотных летательных аппаратов, новый полностью бесшумен.
Профессор аэронавтики и космонавтики в Массачусетском технологическом университете Стивен Барретт ожидает, что в ближайшей перспективе такие ионно-силовые двигательные системы могут использоваться для управления менее шумными беспилотными летательными аппаратами. Кроме того, он предлагает использовать ионные двигатели в сочетании с более традиционными системами сжигания топлива для создания более экономичных, гибридных пассажирских самолетов и других летательных аппаратов.
5.8. Пример 9.20. Контроль и идентификация товара в магазине
Система включает связанные между собой сканирующее устройство, устройство для сбора товара, камеру, терминал оплаты самообслуживания и сервер.
Каждому средству для сбора товара присвоен индивидуальный идентификационный номер. Сканирующее устройство предназначено для считывания указанного номера средства для сбора товара, сканирования штрихкодов товаров и формирования списка выбранных товаров и итогового штрихкода.
Камера установлена на средстве для сбора товара и выполнена с возможностью считывания визуального образа товара и отслеживания его перемещения после сканирования штрихкода.
Терминал оплаты выполнен с возможностью обратной связи с сервером, при этом сервер выполнен с возможностью получения и анализа информации с камеры и терминала оплаты.
Покупатель активирует приложение на сканирующем устройстве, выбирает средство для сбора товара, считывает указанный номер посредством сканирующего устройства, сканирует штрихкоды выбранных товаров, формируя таким образом список покупок, располагает указанные товары в устройстве для сбора товаров, затем передает созданный посредством сканирующего устройства итоговый штрихкод на считывающее устройство терминала оплаты самообслуживания, оплачивает покупку, получает чек (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Система контроля и идентификации товара в магазине
5.9. Пример 9.21. Чтение рентгеновских снимков
Алгоритм под названием CheXNeXt — это первый алгоритм в мире, который за считанные секунды может оценивать рентгеновские снимки на наличие признаков множества заболеваний одновременно и выдавать результаты, которые вполне соответствуют выводам профессиональных рентгенологов.
Алгоритмы, вроде CheXNeXt, однажды могут помочь врачам-диагностам быстрее ставить диагноз и не тратить лишнее время на консультации с другими врачами.
5.10. Пример 9.22. Наблюдение за жизненными показателями пациентов
Управление по контролю за продуктами и лекарства США одобрило первый в мире алгоритм, наблюдающий за жизненными показателями пациентов и способный потенциально предсказать их смерть.
Алгоритм получил название Wave Clinical Platform, он разработан компанией ExcelMedical.
Платформа фиксирует малейшие изменения в жизненных показателях и посылает врачам предупреждение за шесть часов до потенциально скоропостижной смерти пациента. Алгоритм наблюдает за больными постоянно, и это практически невозможно осуществить с помощью исключительно человеческих работников. Как всем известно, медицинских работников не хватает по всему миру, и к каждому пациенту, даже тяжелому, невозможно поставить человека, который следил бы за ним постоянно и неустанно.
Wave создан именно для решения этой проблемы. Он в реальном времени показывает физиологическую и медицинскую информацию, которую может посмотреть медицинский работник как на рабочей станции, так и буквально со смартфона. При любом изменении показателей Wave автоматически подсчитывает риски и дает предупреждение заранее, если считает, что пациент находится в опасности или вскоре будет находиться.
Алгоритм не просто наблюдает за биометрическими показателями, но анализирует их системно. Например, небольшое снижение частоты дыхания в других системах сразу вызовет тревогу. Но если это снижение коррелирует с повышением давления, новый алгоритм, просчитав вероятности, даст знать о потенциально летальной ситуации
В клинических испытаниях, проведенных в медицинском центре Питтсбургского университета, Wave использовали в группе пожилых пациентов, и там, где систему подключали, она предотвратила шесть скоропостижных смертей.
5.11. Пример 9.23. Вирус убивает злокачественные опухоли
Раковые клетки окружают фибробласты (другие клетки), защищающие раковые клетки от иммунной системы. Фибробласты также снабжают раковые клетки питательными веществами для роста.
Создали вирус, который убивает раковые клетки, кроме того, он также может уничтожать соседние клетки (фибробласты), которые обманным путем защищают рак от иммунной системы.
В настоящее время любая терапия, которая убивает «обманутые» фибробластные клетки, может также убивать фибробласты по всему телу — например в костном мозге и коже, вызывая токсичность.
Ученые использовали вирус под названием Enadenotucirev, он заражает только раковые клетки, здоровые клетки при этом оставляя. Вирусу добавили генетические инструкции, заставляющие инфицированные раковые клетки продуцировать белок, называемый биспецифическим Т-клеточным агентом.
Белок был предназначен для связывания с двумя типами клеток и склеивания их. В этом случае один конец был нацелен на связывание с фибробластами. Другой конец специально привязан к Т-клеткам — типу иммунной клетки, который отвечает за уничтожение дефектных клеток. Это заставило Т-клетки уничтожить прикрепленные фибробласты.
5.12. Пример 9.24. Идентифицировать человека по походке
Компания Watrix разработала систему, способную идентифицировать человека с расстояния в 50 метров, даже он стоит спиной к камере или прячет лицо. Никаких специальных камер для этого не нужно — алгоритм способен анализировать уже существующие записи наблюдения и по ним определять личность человека с вероятностью в 94%.
Пока программа не может работать в реальном времени. Ей нужно примерно 10 минут, чтобы проанализировать около часа видео, в это время она формирует в базе силуэт человека и создает модель индивидуальной походки.
5.13. Пример 9.25. Сокращение энергии на производство удобрений
Азотные удобрения наиболее распространены в мире. На их производство тратится огромное количество энергии.
В Принстонском университете разработали метод, резко сокращающий расходы энергии, необходимые для этого.
Производители вытягивают азот из воздуха и объединяют его с водородом. Азотный газ обилен, составляя около 78 процентов в атмосфере. Но атмосферный азот трудно использовать, потому что он заперт на пары атомов, называемые N2, и связь между этими двумя атомами является второй самой сильной по своей природе.
Поэтому требуется много энергии, чтобы разделить молекулу N2 и позволить атомам азота и водорода объединиться. Большинство изготовителей используют метод Хабера-Боша, подвергая N2 и водород железному катализатору в камере, нагретой до более чем 400 оС. Метод использует около 2% потребления энергии в мире.
Группа под руководством Эмили Картер, декана инженерного дела Принстона и профессора Герхарда Р. Андлинджера по энергетике и окружающей среде, предложила использовать свет для ослабления связи в молекуле атмосферного азота.
Процесс взаимодействия света с металлическими наноструктурами, меньшими одной длины волны свет, происходит при комнатной температуре. Для концентрации света и усиления электрические поля стали использовать поверхностный плазмонный резонанс, повышающий мощность катализатора для разделения молекул азота [.
5.14. Пример 9.26. Прогнозировании орбит экзопланет
Искусственный интеллект позволяет точнее, чем обычные методы, рассчитать стабильность орбит Татуинов. Предположительно, что эти планеты могут быть обитаемые.
«Татуины» — планеты, вращающиеся вокруг двух звезд.
Движение вокруг двух звезд вместо одной может привести к большим изменениям на орбите планеты, что означает, что планета может быть выброшена из планетной системы либо поглощена одной из двойных звезд. Традиционные подходы к вычислению орбит для планет значительно усложняются, как только выясняется существование двойной звезды.
Планетам необходимо выживать в течение миллиардов лет, чтобы жизнь на них эволюционировала, поэтому выяснение того, стабильны орбиты или нет, является очень важным вопросом для обитаемости. Новая работа показывает, как машинное обучение может делать точные прогнозы, даже если стандартный подход, основанный на законах гравитации и движения Ньютона, не работает.
5.15. Пример 9.27. Наночастицы помогают сельскому хозяйству
Ученые из Израильского технологического института в Хайфе предложили использовать липосомы для быстрой доставки питательных веществ растения по сравнению с обычными средствами.
Липосома представляет собой полый шар около 100 нанометров в поперечнике и состоит из жировых молекул, экстрагированных из растений сои.
Раньше они использовались для доставки лекарств к определенным частям тела.
Теперь исследователи заполнили эти крошечные «пакеты» удобряющими питательными веществами. Их можно использовать в виде спрея.
Когда растительный лист поглощает эти наночастицы, липосомы распространяются на клетки других листьев растения и его корней, где жировые оболочки разрушаются и высвобождают молекулярный груз.
5.16. Пример 9.28. Быстрая зарядка смартфонов
Для увеличения подаваемой мощности без перегрева блока питания и самого смартфона компания Samsung продолжает развивать идею многопоточности (подача энергии происходит сразу двумя потоками).
Это позволило увеличить выходную мощность зарядного устройства до 18 Вт, реализовав эффективное рассеивание тепла. Как результат, смартфон заряжается быстро и не нагревается.
Процессоры Qualcomm с Quick Charge нового поколения смогут поддерживать передачу энергии уже тремя путями, что повысит мощность зарядки вдвое — до 32 Вт.
5.17. Пример 9.29. Нанотехнологии против вирусов
Заражение клетки вирусом через рецепторы и корецепторы на поверхности клеток. Для блокирования проникновения вируса использовали наночастицы на твердых материалах, таких как золото и серебро. Они не адаптируются к поверхности вируса, что позволяет вирусу проникать в клетку.
Немецко-индийская исследовательская группа разработала наногели, с разной степенью гибкости адаптирующиеся к поверхности вируса. Это увеличивает их взаимодействие с вирусными частицами и уменьшает вероятность того, что патогены смогут снова отсоединиться.
Сгенерированные наногели могут достигать ингибирующего эффекта до 90 процентов. Вещества остаются активными в течение относительно длительного времени, а также обеспечивают защиту от вирусных частиц, высвобождаемых из уже инфицированных клеток.
Наногель можно приготовить по очень низкой цене по сравнению с производством обычных противовирусных препаратов. Таким образом, они могут без проблем использоваться для лечения животных. Кроме того, полимерные гели являются безвредными и «дружественными к клеткам» — в отличие от жестких, негибких материалов — и могут быть разделены на мелкие фрагменты и выделены почками.
5.18. Пример 9.30. Золото плавят при комнатной температуре
Людвиг де Кнооп с физического факультета Технологического университета Чалмерса в Швеции установил, что при увеличении напряженности электрического поля до экстремальных значений поверхностные слои золота фактически расплавились при комнатной температуре.
Атомы золота перешли в возбужденное состояние. Под воздействием электрического поля они внезапно потеряли свою упорядоченную структуру, и почти все межатомные связи исчезли. В течение дальнейших экспериментов исследователи обнаружили, что также есть возможность «переключаться» между твердым и расплавленным состоянием металла.
Совместно с теоретиком Микаэлем Юхани Куисма из университета Ювяскюля в Финляндии Людвиг де Кнооп и его коллеги открыли новое направление в материаловедении.
Благодаря теоретическим расчётам исследователи могут выдвинуть предположения о причинах способности золота плавиться при комнатной температуре. Возможно, поверхностное плавление можно рассматривать, как так называемый низкоразмерный фазовый переход. В таком случае открытие связано с областью исследований топологии, первопроходцы которой — Дэвид Тоулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц получили Нобелевскую премию по физике 2016 года. Исследователи под руководством Микаэля Юхани Куисма изучают эту способность.
В любом случае, плавление поверхностных слоев золота при помощи данного метода открывает новые перспективы для его применения в будущем в различных прикладных целях.
Возможность контролировать и изменять свойства поверхностных слоев атомов, это открывает двери для различных путей применения этой технологии. Например, она может применяться в различных типах датчиков, катализаторов и транзисторов. Также могут открыться возможности для новых концепций бесконтактных компонентов.
5.19. Пример 9.31. Гравитационный аккумулятор
Швейцарская компания Energy Vault предложила новую технологию энергосбережения в виде «гравитационного аккумулятора».
Предлагается построить 35-метровую башню, которая при помощи специального механизма будет поднимать несколько блоков по 35 тонн в моменты низкого энергопотребления. Когда нагрузка на сети возрастет, блоки опустятся, приведя в действие электрогенераторы. По словам швейцарцев, создать своеобразный энергонасос — простое и действенное решение. Технология аналогична закачиванию насосом воды на более высокую отметку, а затем работающего как генератор, приводимый в действие спадающей водой. Правда, вода не понадобится. Ее заменят блоки, которые можно будет делать практически из любого материала. Например, из свалочного мусора. Тогда стоимость упадет еще ниже, а природе будет причинен меньший ущерб. Подобный «гравитационный аккумулятор» решит основную проблему с сохранностью энергии.
Технология уже проходит обкатку в Индии. Компания Tata Power установила около штаб-квартиры маленький 22-метровый прототип. В будущем разработчики планируют ставить промышленные генераторы, которые в 5 раз больше по высоте (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Гравитационный аккумулятор
5.20. Пример 9.32. Твердотельные батареи
Японская компания TDK создала крошечные твердотельные аккумуляторы для носимых устройств и смартфонов. Батареи выдерживают до 1 тыс циклов перезарядки и безопаснее, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Крошечный аккумулятор
Батарея может быть установлена как в домашние устройства, такие как пульты дистанционного управления, так и в смартфоны и планшеты.
Сейчас компания готовится выслать партнерам первую тестовую партию аккумуляторов и запустить их в массовое производство. Установка батареи позволит уменьшить размер гаджетов или увеличить их мощность за счет установки дополнительных компонентов.
Ранее химики из Университета Ватерлоо нашли решение двух самых сложных проблем при создании литий-кислородных батарей. Разработанный учеными аккумулятор показал 100-процентную кулоновскую эффективность, измеряемую отношением отданных ампер-часов к ампер-часам, полученным от зарядного устройства.
5.21. Пример 9.33. Самолет нового поколения России
В Национальном исследовательском центре «Институт имени Н. Е. Жуковского» (НИЦ) разрабатывается воздушное судно нового типа.
Об этом журналистам сообщил гендиректор НИЦ Андрей Дутов, передает ТАСС. Для нового самолета была создана технологичная силовая установка — 500-киловаттный гибридный авиадвигатель. Сейчас заканчивается подготовительная работа к проведению летных испытаний двигателя. Специалисты в данном вопросе тщательно прорабатывают все аспекты работы, поэтому первый полет намечен на 2019 год, хотя двигатель фактически готов. Этот гибридный двигатель, по словам представителя НИЦ, будет опережать по своему потенциалу и техническим характеристикам аналоги из Siemens и Airbus.
Данная силовая установка призвана решить важнейшую задачу для российской авиации — переход к технологически новым, «чистым» разработкам самолетов. Ведь с появлением электродвигателей, способных зарекомендовать себя на рынке, российское авиастроение выйдет на новый качественный уровень. Это очень важный этап, в котором создание новой силовой установки является первым шагом на пути к запуску в небо первого полностью электрического самолета. Прототип двигателя уже демонстрировался специалистами на авиавыставке МАКС в Геленджике, вызвав очень большой интерес общественности.
По словам гендиректора НИЦ им. Жуковского, до 2025 года Россию ждет качественный технологический скачок в области создания новых образцов авиации. Это позволит до 2035 года получить действующий электрический самолет пассажировместимостью 50 человек. Данный самолет будет предназначаться для курсирования по региональным авиалиниям.
5.22. Пример 9.34. «Интернет ушей»
Ученые из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде создают новое поколение «умного дома» с новым комплектом датчиков, которое назвали «Интернетом ушей». Эта система, помимо «Интернета вещей» или IоT (всей бытовой техники, развлекательных центров, камер систем безопасности, осветительных, отопительных и охлаждающие систем и т п.), будет воспринимать не только вибрации и звуки шагов и прочих движений в помещении, которые можно связать с человеком или животным, но также и любые едва различимые колебания электромагнитного поля.
Через десяток лет или около того дом будущего, возможно, будет представлять собой здание, способное адаптироваться к потребностям жильцов, используя данные, получаемые всего лишь от нескольких крохотных датчиков, встроенных в стены и пол, без необходимости использования камер, способных нарушать право на личную жизнь.
Нас постоянно окружает электромагнитное поле с частотой 60 Гц, и человек, обладая некоторой электропроводностью и в какой-то мере замыкая поле на себя, соответственно, замеряет возмущения этого поля. Получается возможность определить присутствие человека даже по его дыханию, если он даже не издает ни звука.
Система обеспечит ряд преимуществ.
1. Обеспечение энергоэффективности зданий, особенно в плане освещения и обогрева, поскольку система приспосабливается к перемещению людей из комнаты в комнату, более эффективно распределяя энергию.
2. Возможность осуществления замеров и отслеживания структурной целостности здания, что позволит проводить оценку его безопасности для проживающих в нём людей. Это может иметь неоценимое значение, например, при землетрясении или урагане.
Человек создает динамическую нагрузку на здание, особенно если оно старое. Таким образом, можно предсказывать угрозу структурных повреждений в результате превышения допустимой весовой нагрузки на пол или неправильного распределения веса людей.
5.23. Пример 9.35. 3D-сканирование всего тела человека
В Калифорнийском университете в Дейвисе разработали сканер, который выдает трехмерное изображение тела человека. Он получил название EXPLORER («Исследователь»).
EXPLORER объединил в себе два метода визуализации — позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и рентгеновскую компьютерную томографию (КТ). Оба метода сегодня используются очень активно. Однако устройства, способные с их помощью предоставлять медикам исчерпывающие сведения относительно состояния человека, — разные.
Устройство поможет революционизировать как клинические исследования, так и лечение пациентов. В частности, EXPLORER повысит скорость и точность диагностики, пригодится для наблюдений за прогрессированием различных болезней, для изучения свойств новых лекарств и так далее.
EXPLORER имеет ряд преимуществ перед другими системами визуализации.
1. Получение изображений занимает в 40 раз меньше времени, чем в случае использования технологии ПЭТ. На сканирование всего человеческого тела уходит порядка 20—30 секунд.
2. Чувствительность устройства в 40 раз превышает показатели современных коммерчески доступных систем сканирования.
Это позволяет сканеру создавать максимально подробные изображения, используя гораздо более низкие дозы радиации, чем требовалось до сих пор. Это очень важно как минимум по двум причинам.
1. Диагностические и клинические исследования можно будет проводить многократно без угрозы для здоровья пациента.
2. Снижение дозы облучения открывает новые возможности для педиатрии, ведь при обследовании юных пациентов медики тщательно контролируют дозу облучения, и ограничения для детей более существенные, чем для взрослых.
5.24. Пример 9.36. Гибкие солнечные батареи
Органические солнечные элементы (ОСЭ), которые можно нанести на поверхность, как краску, или напечатать. Ими решили снабдить одежду, для чего необходимо сделать их гибкими.
Лаборатория Рафаэля Вердузко, специалиста в области химической и биомолекулярной инженерии в Университете Райса, разработала гибкие ОСЭ, которые будут полезны в приложениях, требующих постоянного притока электроэнергии малой мощности.
Они использовали сетку из внедрённых эластичных волокон, делающих активный материал менее хрупким почти без потерь в силе тока (рис. 9.8).
В ОСЭ превращение солнечного света в электрический ток производится углеродистыми материалами и полимерами, в противоположность твёрдым неорганическим материалам, таким как кремний. ОСЭ имеют малую толщину и вес, они полупрозрачны и недороги. Их КПД (15 процентов) не сильно уступает КПД обычных солнечных элементов (22 процента).
Рис. 9.8. Гибкие солнечные батареи
5.25. Пример 9.37. Квантовый компас
Ученые из Имперского колледжа Лондона создали совместно со своими коллегами из компании M Squared Lasers (Шотландия) крайне точный квантовый компас. Основной принцип работы заключается в фиксировании субатомного эффекта магнитного поля Земли. Компас улавливает его изменения, что позволяет крайне точно выявить его месторасположение в пространстве. Компас использует лазеры для того, чтобы охладить атомы водорода внутри до крайне низких температур, после чего датчики фиксируют их перемещение, ускорение и то, как на них воздействует магнитное поле Земли. По факту мы имеем сверхточный акселерометр.
Он может стать не столько альтернативой GPS из-за своих больших размеров, сколько вспомогательной технологией, которая будет работать в случае, если связь со спутниками будет потеряна.
5.26. Пример 9.38. Робот из жидкого металла
Группа ученых из КНР и Австралии спроектировала робота на основе жидкого металла. Он может менять свою форму.
Робот состоит всего из трех частей: пластикового колеса, маленькой литиевой батарейки и капель сплава жидкого металла на основе галлия. Напряжение батарейки изменяется центром тяжести жидкого металла, что способствует перетеканию робота в одну сторону или другую
Дальше развивать мягких роботов с использованием жидкого металла. Их можно будет задействовать в специальных миссиях вроде поиска и спасения жертв землетрясений, так как роботы могут изменять форму, чтобы проникать под двери или пролезать через пространства, в которые не может поместиться человек.
5.27. Пример 9.39. Суперкомпьютер, имитирующий мозг человека
В Школе компьютерных наук университета Манчестера (Великобритания) заработал крупнейший в мире нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker, имитирующий работу человеческого мозга.
Компьютер оснащен процессором в 1 миллион ядер и способен выполнять более 200 триллионов действий в секунду, причем каждый из его чипов имеет 100 миллионов движущихся частей.
В отличие от традиционных компьютеров SpiNNaker уникален тем, что не отправляет большие объемы информации из пункта A в пункт B. Вместо этого он имитирует работу человеческого мозга, одновременно отправляя миллиарды небольших объемов информации в тысячи разных мест.
На создание суперкомпьютера ушло 20 лет разработки, более 10 лет строительства, а также 15 миллионов фунтов стерлингов.
«SpiNNaker полностью пересматривает способ работы обычных компьютеров. Машина больше похожа на мозг, чем на традиционный компьютер.
В конечном итоге создатели компьютера хотят увеличить процессор до 1 миллиарда ядер, что составляет лишь один 1% от объема человеческого мозга, который состоит из чуть менее 100 миллиардов нейронов, которые связаны между собой примерно 1 квадриллионом (это 1 с 15 нулями) синапсов. Для сравнения: мозг мыши состоит из почти 100 миллионов нейронов.
Одно из его фундаментальных применений — помочь нам понять, как работает наш собственный мозг. Это просто невозможно сделать на других машинах.
SpiNNaker уже имитировал работу базальных ганглий — области мозга, которую затрагивает болезнь Паркинсона. Это означает, что на компьютере можно тестировать фармпрепараты.
Теперь нейробиологи, управляя беспрецедентно большим симулятором, смогут раскрыть секреты работы человеческого мозга, а инженеры смогут разрабатывать большие нейронные сети в роботах, чтобы они могли ходить, разговаривать и двигаться.
5.28. Пример 9.40. Ультразвуковой хирургический инструмент
Радиофизики Томского государственного университета создали рабочую модель ультразвукового хирургического инструмента для коагуляции (спайки) тканей.
Хирургический инструмент для коагуляции создан на основе ультразвукового волновода — это искусственный направляющий канал со звукоотражающими стенками, в котором распространяется волна.
К волноводу присоединен пьезоэлемент, на который подается электрическое напряжение, возбуждающее колебания, и инструмент входит в резонанс. Благодаря этому соединения испытывают минимум нагрузки, не перегреваются, инструмент может служить дольше.
Радиофизики разработают целый ряд хирургических инструментов: помимо инструмента для коагуляции тканей они создадут нож, пилу и ножницы. Ультразвуковые колебания от 10 до 100 кГц и амплитудой 5—50 мкм уменьшат трение между тканями и лезвием, благодаря этому хирург будет тратить меньше усилий, а операция пройдет быстрее и станет безопаснее — сократится кровопотеря, заживление будет происходить быстрее. При помощи ультразвуковых инструментов можно «склеивать» сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие действия.
5.29. Пример 9.41. Технология Brain Gate
В последние годы интерфейс мозг-компьютер, разработанный в рамках международного консорциума BrainGate, позволил людям управлять роботизированной рукой и печатать на виртуальной клавиатуре, используя лишь силу мыслей. В основе системы BrainGate лежит крошечный чип, который имплантируется в моторную кору головного мозга пользователя. Используя 100 встроенных электродов, этот чип обнаруживает электрическую активность отдельных нервных клеток. Данные об электрических сигналах отправляются на компьютер. Он использует ранее «обученные» алгоритмы для выявления конкретных паттернов (моделей) активности мозга, связанных с мыслями пользователей о выполнении той или иной задачи. Затем компьютер отправляет соответствующие команды на управляемое устройство.
Разработка поможет людям с синдромом «запертого внутри». Все они не способны разговаривать и часто не могут общаться с окружающим миром. Эта система поможет не только более активно взаимодействовать с семьей и друзьями, но и позволит людям подробно описывать текущие проблемы и состояние здоровья лицам, осуществляющим уход за ними.
5.30. Пример 9.42. 3D-печать хряща из стволовых клеток
Учeные из Университета Мельбурна разработали технологию создания искусственной хрящевой ткани с помощью стволовых клеток и 3D-принтера. Печать можно производить прямо во время хирургической операции, «ремонтируя» поврежденные суставы.
Используется искусственная ткань, более похожая на естественную. Структура имплантата корректируется в реальном времени прямо во время операции. Для этого используется портативный 3D-принтер.
Печать происходит методом экструзии. Стволовые клетки пациента внедряются в «чернила» из метакрилата желатина и метакрилата гиалуроновой кислоты (оба материала давно используются в медицине). После того как гель примет форму, идеально подходящую для коррекции конкретного дефекта, его облучают ультрафиолетом.
В результате начинаются химические реакции, в ходе которых материал приобретает механические свойства натурального хряща. Эта технология уже была испытана на овцах. Кроме того, исследователи проверили качество получаемой ткани в лаборатории. Для этого они взяли из подкожной ткани доноров мезенхимальные стволовые клетки.
Стволовые клетки этого вида могут превратиться в «кирпичики» кости, хряща, мышц или жировой ткани (отметим, что порой такое многообразие негативно сказывается на результатах, и ученым приходится искать более узкоспециализированных кандидатов). Эти клетки они добавили в «чернила» вместе с химическими стимуляторами, побуждающими их стать именно клетками хряща.
После этого исследователи напечатали искусственную ткань и восемь недель выращивали ее «в пробирке». По истечении этого срока образцы подверглись самому тщательному анализу. Их изучали с помощью оптических и атомно-силовых микроскопов, проверяли взаимодействие с электромагнитным излучением, анализировали экспрессию генов, тестировали иммуногистологическими методами, выясняли механические свойства и так далее.
Все тесты показали отличное соответствие естественной хрящевой ткани человека.
5.31. Пример 9.43. Видеть сквозь стены
Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили систему, использующую для слежки окружающие сигналы Wi-Fi и обычный смартфон.
Для радиосигналов не существует дверей или стен. Они смешиваются, отражаясь от различных поверхностей, и с точки зрения Wi-Fi картина мира выглядит весьма смазанной. Люди также отражают сигналы, однако, в отличие от статичных предметов, они не выглядят смазанными. Поэтому если смотреть на мир глазами беспроводных сигналов, можно легко рассмотреть человека за стеной и определить его движения.
Для слежки за человеком за стеной исследователи сначала определили местоположение передатчика Wi-Fi путем измерения силы сигнала вокруг атакуемого дома с помощью смартфона. Если внутри дома ничего не движется, сигнал остается неизменным. Однако малейшее движение меняет сигнал, причем каждое движение делает это по-своему.
Если в обычной комнате есть более двух источников сигнала, разработанная исследователями система обнаруживала присутствие и движение людей с точностью 99%.
6. Решите задачи, используя вепольный анализ.
6.1. Задача 9.1. Золотая цепочка
Условие задачи
На ювелирном заводе звенья золотой цепочки паяют на станках-автоматах. Такие цепочки очень прочны: даже самую тонкую и изящную цепочку разорвать руками не получается. Такая цепочка может стать «удавкой» для еего обладателяей (например, во время ограбления или в иных случаях).
Как быть?
6.2. Задача 9.2. Извлечение запрессованной втулки
Условия задачи
В деталь «А» прочно запрессована втулка «Б», в которую входит металлический стержень «В» (рис. 9.9).
Как извлечь втулку «Б», используя простейшие инструменты, например молоток?
Рис. 9.9. Извлечение запрессованной втулки
6.3. Задача 9.3. Грелка
Условия задачи
Грелка (рис. 9.10), в которую только что налит кипяток, может обжечь больного.
Как быть?
Рис. 9.10. Грелка
6.4. Задача 9.4. Абразивная обработка
Условие задачи
Аппарат для абразивной обработки деталей сложной формы представляет собой коаксиально расположенные две трубы. По внутренней трубе движется воздух, а по наружной — частицы абразива. На конце наружной трубы расположено сопло, формирующее струю абразива (рис. 9.11). Сопло быстро изнашивается и его приходится менять. Как сделать не изнашиваемое сопло?
Рис. 9.11. Аппарат для абразивной обработки деталей А-А — разрез коаксиальных труб; Б-Б — разрез сопла.
Обычно стараются сопло делать из более износостойких материалов, но даже они изнашиваются, а стоимость таких материалов значительно больше.
6.5. Задача 9.5. Упаковка изделий
Условия задачи
Известен способ упаковки и консервации изделий путем окунания их в расплав полимера (рис. 9.12). Снимать такую упаковку с изделий со сложнорельефной поверхностью достаточно тяжело. Приходится ее разрезать, что может привести к порче поверхности изделия.
Как быть?
Рис. 9.12. Упаковка изделий со сложнорельефной поверхностью
6.6. Задача 9.6. Опоры мостов
Условия задачи
Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.
Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.