Научный дайджест №17

⇡#Искусственная чувствительная и «самозаживающая» кожа

Прогресс в робототехнике впечатляет. Современные роботы умеют прыгать, танцевать, играть на музыкальных инструментах, ходить по канату и многое другое. Особый интерес представляют также человекоподобные роботы. Вот самые яркие примеры андроидов.

Японский инженер Хироси Исигуро (Hiroshi Ishiguro) создал робота Gemonoid HI-1 который копирует его собственную внешность. Невероятно, он даже посадил его читать лекции вместо себя, и некоторые студенты не сразу распознали подвох. Ещё одно японское творение — робот-певица HRP-4C, понимающий речь и способный поддерживать разговор.

Благодаря микромоторчикам, которые вживлены под кожу, этот андроид может выражать на лице разные эмоции. Неизгладимое впечатление оставляет также человекоподобный робот Geminoid DK, созданный датским профессором Генрихом Скарфе (Henrik Scharfe) из Университета Аалборга.

Робот Geminoid DK

Несмотря на потрясающую схожесть с человеком, есть у всех подобных роботов серьёзный недостаток. Их покрытие по своим свойствам пока ещё сильно отстаёт от человеческой кожи. В частности, учёным тяжело скопировать функцию самостоятельного «заживления». Одни образцы искусственной кожи восстанавливаются после повреждений только под действием высоких температур. Другим для заживления достаточно и комнатной температуры, но при этом они меняют свою механическую или химическую структуру и, таким образом, могут восстанавливаться всего один раз. Кроме того, ни один «самозаживающий» материал не является хорошим проводником электричества, а это свойство необходимо для взаимодействия искусственной кожи с цифровым миром.

Учёные из Стэнфордского университета сумели впервые объединить в одном материале два свойства — многоразовую «самозаживляющую» способность пластических полимеров и проводимость металлов. Вначале исследователи сформировали пластмассу, которая состоит из длинных цепочек молекул, соединённых водородными связями. Связи между молекулами легко разрушаются, но вскоре после повреждения структура материала самостоятельно восстанавливается даже при комнатной температуре. Далее учёные добавили в эту пластмассу наночастицы никеля, которые не только позволили повысить прочность материала, но и превратили его в отличный проводник.

Рис. 1. Разрезание маленького кусочка материала

В ходе экспериментов исследователи скальпелем разрезали пополам тоненькую ленту из нового материала. При соединении кусочков лёгким нажатием уже в течение нескольких секунд материал восстановил 75% изначальной прочности и электрической проводимости. Ещё через 30 минут характеристики материала восстановились почти на 100%. Даже кожа человека не способна так быстро заживать. Что ещё интересно, полимерная лента была разрезана в одном и том же месте 50 раз, и каждый раз «заживление» проходило успешно.

Благодаря электрической проводимости, такой материал можно наделить сенсорными свойствами. При нажатии на «кожу» расстояния между частицами никеля изменяются, что приводит к изменению электрического сопротивления. Это может использоваться для измерения давления на поверхность материала.

Рис. 2. Изображение распределения частиц никеля на поверхности разреза

По мнению исследователей, их разработка может широко использоваться для протезирования. Кроме того, свойство такого материала быстро восстанавливаться может оказаться полезным при создании электрических устройств и проводов, которые находятся в труднодоступных местах и ремонт которых в случае повреждений является весьма затратным делом. Детальнее работа представлена в публикации An electrically and mechanically self-healing composite with pressure- and flexion-sensitive properties for electronic skin applications.

⇡#Ухо как биологическая батарея

Не только кожа у человека является уникальной и неповторимой. Оказывается, внутреннее ухо также скрывает в себе необычайные свойства. Этот сложный орган слуха и равновесия может играть роль естественной батареи. Во внутреннем ухе есть полость, заполненная ионами. Они создают электрический потенциал, используемый для управления нервными сигналами. Данная особенность этого органа уже более 60 лет известна учёным, но до сих пор никто не решался вторгаться в него.

И вот любопытные исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ), Массачусетской клиники по проблемам зрения и слуха и совместного подразделения Гарвардского университета и МТИ по вопросам наук о здоровье и технологиям всё же решили поэкспериментировать с внутренним ухом. Конечно же, вместо человека первым пыткам было подвергнуто бедное животное — морская свинка. Страдания несчастной жертвы облегчили применением анестезии.

Учёные имплантировали электроды в биологические батареи уха подопытной свинки. К электродам были подсоединены маломощные электронные устройства, разработанные лабораторией микросистемных технологий МТИ. С помощью сенсоров информация о химических параметрах жидкости внутреннего уха по беспроводному каналу передавалась на внешний ресивер. При этом слух свинки нарушен не был, что подтвердилось соответствующими тестами. В противном случае на исследователей могли бы обрушиться серьёзные судебные иски со стороны Всемирного общества защиты животных.

Рис. 3. Изображение экспериментальной установки

Ухо преобразовывает механическое воздействие (вибрации барабанной перепонки) в электрохимический сигнал, который далее может обрабатываться мозгом. Биологическая батарея является источником тока для этого сигнала. Полость, которая играет роль батареи, находится в части уха, называемой улиткой. Эта улитка разделена мембраной, некоторые клетки которой предназначены для генерации ионов. Неравновесие между ионами калия и натрия на противоположных сторонах мембраны создаёт электрический потенциал. Чтобы не прерывать слух, потребляемая мощность устройства, подключаемого к электродам биологической батареи, должна быть достаточно малой.

Созданный инженерами МТИ миниатюрный радиомодуль потреблял больше мощности, чем могла обеспечить батарея. Поэтому в микросхеме был использован также конденсатор для накопления заряда, который обеспечивал устройство питанием для подачи импульсов на частоте 2,4 ГГц с периодом «передышки» от 40 секунд до четырёх минут.

Рис. 4. Микросхема, питаемая от биологической батареи

Конечно, фантазия рисует возможность создания в будущем портативных потребительских электронных устройств, встроенных в ухо, которые бы получали автономное питание от биологической батареи. Но придётся вас расстроить. Накопленная за 5 часов мощность составила всего около 1,12 нВт. Так что данная разработка подойдёт разве что для организации систем доставки медикаментов внутри организма и питания химических сенсоров, используемых для диагностики органов слуха. Подробнее об исследовании можно почитать в статье Energy extraction from the biologic battery in the inner ear.

⇡#Ржавчина для получения водорода с помощью солнечной энергии

Несмотря на все преимущества водорода в качестве синтетического топлива, его широкому использованию препятствует целый ряд причин, среди которых отметим проблему организации источника энергии для получения водорода. В основном рассматриваются три альтернативных варианта: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Источники первых двух видов имеют существенный недостаток, связанный с проблемой теплового загрязнения среды. Солнечная энергия от такого недостатка избавлена.

Идея использования солнечной энергии для разложения воды на водород и кислород далеко не нова — ей уже как минимум 40 лет. Исследователи разработали множество методов, позволяющих получать водород таким путём. Но всем им присущи существенные недостатки. Устройства, позволяющие с высокой эффективностью преобразовывать солнечную энергию в водород, на основе так называемого аморфного кремния с тройным соединением, отличаются слишком высокой сложностью и себестоимостью. Так, недавно группа исследователей из США показала систему с эффективностью 12,4%. Но коммерческое применение она вряд ли найдёт. Ведь для создания 10 квадратных сантиметров поглощающей поверхности придётся затратить порядка десяти тысяч долларов. Устройства попроще с использованием оксидных полупроводников в так называемой «двухпоглощающей» структуре показали максимальный КПД всего 0,3%.

Учёным из Федеральной политехнической школы Лозанны удалось разработать такой метод разложения воды, который отличается низкой себестоимостью и сравнительно высоким КПД. С самого начала исследователи поставили себе задачу использовать только недорогие материалы. В итоге самым дорогостоящим компонентом разработанной системы является стеклянная пластинка. КПД устройства составляет от 1,4% до 3,6%. Это немного по сравнению с достижением американских учёных, но гораздо лучше, чем у других решений с низкой себестоимостью. Кроме того, исследователи обещают за несколько лет улучшить КПД своей установки до 10%. Производство одного квадратного метра такой поглощающей поверхности обойдётся всего в $80.

Рис. 5. Один из участников исследования Кевин Сивуля (Kevin Sivula)

В своём изобретении учёные используют обычную ржавчину. В неё добавляют окись кремния, а также покрывают тонким слоем оксида алюминия и оксида кобальта толщиной 1 нм. Это позволяет улучшить электрохимические свойства материала и не требует никаких дорогостоящих процессов. Вторая часть устройства состоит из красящего вещества и диоксида титана — базовых компонентов солнечных ячеек с повышенной за счет красителя чувствительностью.

По утверждению изобретателей, их метод в перспективе обеспечит КПД вплоть до 16%. Подробнее о разработке можно почитать в статье Highly efficient water splitting by a dual-absorber tandem cell.

⇡#Как зависит реакция пользователей от качества потокового видео

Изучение реакции пользователей на качество видеопотока уже давно интересует владельцев сервисов, доставляющих видеоконтент. Но до последнего времени достоверные результаты с научной точностью никто не мог получить. Причина здесь, как объясняют исследователи, кроется в сложности сбора и обработки огромного количества релевантных данных. Работа, описанная в статье Video Stream Quality Impacts Viewer Behavior: Inferring Causality Using Quasi-Experimental Designs, впервые устанавливает причинную связь между качеством видео и поведением пользователей, что даёт гораздо более достоверный результат по сравнению с традиционными корреляционными методиками. Для этого используется так называемый метод «квазиэкспериментального дизайна», который позаимствован из области социальных и медицинских наук и адаптирован для данной сферы применения.

Рис. 6. Короткие видео отклоняют чаще, чем длинные

В эксперименте использовались данные потоковой сети компании Akamai Technologies с 23 млн просмотров в день и 6,7 млн уникальных посетителей за то же время. Интересно посмотреть на результаты. При задержке с запуском видео более двух секунд появляется категория зрителей, прекращающих просмотр. На каждую последующую секунду задержки число таких зрителей вырастает в среднем на 5,8%. Прерывания также ощутимо снижают желание пользователя продолжать просмотр. Всего 1% задержки из-за буферизации видео заставляет зрителей сократить общее время просмотра на 5% и более. При сбое вероятность, что пользователь посетит этот сайт через неделю или раньше, снижается на 2,32%.

Рис. 7. Пользователи с менее скоростным соединением более терпеливы

Среднее время просмотра, согласно результатам эксперимента, составляет 35,4 с. Это свидетельствует об активном «видеосерфинге», когда пользователи вкратце просматривают целую серию видеороликов, чтобы потом выбрать из них что-то для полного просмотра. Подробнее о результатах эксперимента и самой методике можно почитать здесь.