Город будущего

2021-08-24 12:17:34 ​​В США разработали «зеленый» метод изготовления нейлона

Исследователи Университета Огасты (США) представили новый подход для синтеза сверхпрочного нейлона, при котором не нужны катализаторы на базе цинка и других токсичных материалов, которые вредят экологии.

Ученые разработали способ производства самой популярной марки этого полимерного материала — нейлона-6:6. Он используется для изготовления высокопрочных нитей, тканей, труб, изоляции проводов, автомобильных деталей и массы других изделий. Для синтеза этого вещества нужен цинк, но его цена вырастет в ближайшие десятилетия, так как месторождения металла заканчиваются. Именно поэтому нужно найти ему замену.

Участники проанализировали, как исходные продукты реакций, в ходе которых возникает циклогексен, будут взаимодействовать с «соседями» цинка по таблице Менделеева — с соединениями никеля, железа, кобальта, алюминия и меди. Кроме того, ученые использовали концентратор солнечной энергии для замены системы подогрева реактора, а также подобрали набор экологически чистых химикатов, необходимых для его работы.

Как обнаружили исследователи, соединения железа были наиболее оптимальной заменой для катализаторов на базе цинка. Они отличались почти столь же высоким уровнем активности, как и их цинковые аналоги, но при этом их себестоимость заметно ниже. Кроме того, ученые усовершенствовали другие стадии производства циклогексена, позволяющие заметно повысить КПД реакции.

В ближайшее время химики планируют проверить, можно ли использовать для производства катализатора обычную железную ржавчину. Если это действительно так, то переход на подобное сырье еще больше удешевит производство и позволит найти практическое применение для металла со свалок и отходов металлургического производства.

src Открыть/Комментировать

2021-08-24 09:32:41 Робот-хирург, 3D-печать живыми клетками и фотохромные контактные линзы

Использование высоких технологий в сфере здравоохранения — одно из наиболее привлекающих внимание направлений. Публикуем обзор некоторых достижений в этой области, благодаря которым современная медицина уже никогда не будет прежней.

Робот-хирург da Vinci может проводить операции малоинвазивным способом, не оставляя шрамов. Особенно хорошо он работает в «узких» местах организма, где традиционная лапароскопическая техника справляется хуже. Манипуляции с помощью робота da Vinci имеют высокую степень надежности. Перед проведением операций робота программируют, что обеспечивает точные траектории движения инструментов и позволяет исключить риск ошибки. В случае если у врача, который управляет системой да Винчи, дрогнет рука, робот заблокирует неверную команду и укажет на допущенную ошибку. Da Vinci может работать без отдыха 24 часа в сутки — без выходных и праздничных дней.

3D-печать костей. Ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии представили технологию 3D-печати с живыми клетками. С помощью специальных чернил из минералов они могут создать искусственную кость или заполнять полости в костях в теле человека. Техника керамической всенаправленной биопечати в клеточных суспензиях (COBICS) позволяет печатать костеобразные структуры, затвердевающие буквально за минуты после погружения в воду.

Фотохромные линзы. Если раньше технология фотохромных линз использовалась только в очках, то сейчас на рынке появляются контактные линзы с интеллектуальной чувствительностью к свету. Они активно фильтруют солнечный свет, обеспечивая защиту от воздействия ультрафиолета, и адаптируются к различным условиям в помещении и на улице. Они удобны тем, что не только улучшают зрение, но и препятствуют проникновению солнечных лучей на сетчатку глаза. Молекулы фотохромных веществ (органические соединения из группы нафтопиренов), находящиеся в линзах, фиксируют количество дневного света, поступающего на линзу, меняют свою структуру и перестают пропускать солнечный свет. Как только действие ультрафиолета прекращается, структура молекул вновь меняется — и линзы вновь становятся прозрачными.

VetiGel — гель, останавливающий кровотечение почти мгновенно (в течение 12-ти секунд и менее). Он состоит из крошечных независимых полимеров, основанием для структуры которых служит строение водорослей. В момент нанесения на пораженный участок ткани, будь то кожа или какой-либо орган (печень, почки, селезенка), например после биопсии, гель мгновенно формирует сетчатую структуру. Это означает, что, с одной стороны, мы получаем очень прочный пластырь, который не дает ране разойтись. С другой стороны, гель помогает телу в выработке фибрина на поверхности раны (фибрин — основа тромба при свертывании крови). Таким образом кровотечение будет остановлено естественным путем значительно быстрее — и гель можно удалять с поврежденной поверхности уже через несколько минут.

«Умные» таблетки. Японские компании Otsuka Pharmaceutical и Proteus Digital Health создали биоразлагаемый датчик-таблетку, способную доставлять в организм препараты, применяемые при лечении психических заболеваний (депрессии, биполярном расстройстве и шизофрении), и сообщать о том, что лекарство пациент принял. Ученые из Института нанотехнологий и нанобионики Академии наук Китая и Университета штата Аризона разработали нанороботов из нитей ДНК, способных опознавать раковые клетки и лишать их пищи, создавая тромбы в соседних кровеносных сосудах. Это первые автономные роботы из ДНК-молекул, которые могут точечно доставлять определенные типы лекарств внутрь опухоли. Открыть/Комментировать

2021-08-24 08:20:00 ​​От телемедицины до оптимизации очистных сооружений — инновационные разработки Baidu

Одна из наиболее многообещающих сфер применения ИИ в медицинском секторе — решение проблемы постоянной нехватки медработников. Например, в Китае приходится в среднем 17,9 врачей на каждые 10 000 пациентов. Ситуация становится еще более несбалансированной в небольших городах и сельской местности.

Один из вариантов решения этой проблемы предлагает Baidu — это так называемая «система поддержки принятия клинических решений» (Clinical decision support system — CDSS). Такой формат взаимодействия врача и пациента предполагает анализ совместимости и корректности назначения лекарственной терапии, напоминание о необходимости выполнения лечебных и диагностических назначений, подбор параметров лечебных процедур. Такие сервисы на основе ИИ выравнивают социальные условия, поскольку уровень медицинских услуг в крупных городах и на периферии очень разный. И там, где не хватает высококвалифицированных специалистов, на помощь приходят алгоритмы. В настоящее время решения CDSS от Baidu применяется в тысячах учреждений первичной медико-санитарной помощи Китая — и их число постоянно растет.

Компания Baidu также разработала смарт-колонки Xiaodu, сочетающие аудио- и визуальные функции и большее число вариантов использования по сравнению с обычными «умными» колонками без экранов. Интеллектуальный дисплей с возможностями компьютерного зрения и технологией голосового взаимодействия может быть очень полезен пожилым людям: напомнит принять лекарство, составит список необходимых покупок, вызовет водопроводчика, электрика или скорую помощь, сможет поддержать эмоциональную беседу. Согласно ряду прогнозов, к 2022 году ~ 14% населения Китая будет в возрасте 65 лет и старше, а к 2050-му их число преодолеет показатель в 30%.

Еще одни пример. Жители китайской провинции Шаньдун с помощью приложения Baidu AI Cloud контролируют работу электросети, будучи защищенными от возможных перебоев в подаче электроэнергии. А в 8-миллионном Цюаньчжоу приложение Baidu AI Cloud используют для прогнозирования потребностей в потреблении воды на главной водоочистной станции. Система анализирует множество факторов (от погодных условий до количества праздничных дней), оптимизируя работу очистных сооружений. Таким образом удалось сократить потребление электроэнергии на 8%.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 21:40:00 ​​В связи с распространением машинного обучения растет запрос на «машинное забывание»

В современном мире машинное обучение проникает практически во все сферы. В связи с этим появился запрос на новую, только зарождающуюся область информатики — «машинное забывание». Это совокупность методов, способных вызвать избирательную «амнезию» в программном обеспечении, удаляя, например, «цифровой след» конкретного пользователя, не требуя при этом перезапуска всей системы с нуля.

Сегодня компании тратят миллионы долларов на обучение ИИ распознаванию лиц и ранжированию постов в социальных сетях, потому что алгоритмы зачастую могут решить ту или иную задачу несоизмеримо быстрее всякого человека.

«Глубоко обученную систему изменить нелегко. Зачастую, чтобы избежать рисков с конфиденциальностью, приходится перестраивать ее, «обнуляя». А это требует немалых затрат», — говорит профессор Пенсильванского университета Аарон Рот.

Разработки в области «машинного забывания» отчасти мотивирована растущим вниманием к тому, как ИИ может угрожать конфиденциальности. Регулирующие органы по всему миру уже давно обязывают компании удалять неправомерно полученную информацию. Федеральная торговая комиссия США выпустила список рекомендаций по защите пользовательских данных для компаний, работающих с технологиями распознавания лиц. В начале 2021 года стартап Paravision, работающий в этом направлении, был вынужден удалить все свои базы из-за нарушения данного требования.

Обобщенно говоря, есть несколько способов научить ИИ забывать. Есть, например, алгоритм EWC, созданный в 2017 году исследователями из Google. Он имитирует нейробиологический процесс под названием синаптическая консолидация, во время которой мозг оценивает задачу, вычисляет важность используемых для ее выполнения нейронов и «закрепляет» наиболее важные из них. Эти нейроны теперь «помечены» как важные. В нейронных сетях для выполнения задачи тоже используются множественные соединения, похожие на нейроны. Алгоритм EWC помечает некоторые соединения как критически важные, защищая их от перезаписи и забывания. Рассуждая от обратного, все остальное — «неважное». А значит, будет «забываться».

Другой пример. Нафтали Тишби, невролог из Еврейского университета в Иерусалиме и специалист по информатике, представил свою «теорию бутылочного горлышка». Когда в сеть поступает данные, она избавляется от ненужной информации: она как бы пропускает ее через бутылочное горлышко, сохраняя только релевантные данные. По Тишби, существует два этапа обучения нейронной сети  — разметка и сжатие. Во время разметки сеть помечает поступившие данные. Затем начинается намного более длительный процесс — сжатие, во время которого нейросеть «отбрасывает часть данных, оставляя только релевантную информацию». Именно она и поможет нейросети сделать обобщение. Сжатие  — это эффективный способ «забывания». Вполне возможно, что исследователи ИИ будут использовать этот метод, чтобы решать новые задачи и выстраивать новые архитектуры нейронных сетей.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 21:21:00 ​​В Юте разработали новую технологию для одновременного скрининга более сотни генов

CRISPR/Cas9 — новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В основе системы — особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Между идентичными повторами располагаются отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на данной бактерии. При попадании вируса в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью специализированных Cas-белков (CRISPR-associated sequence), связанных с CRISPR РНК. Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от инфекции.

Группа ученых из Университета здравоохранения штата Юта разработала новую технология на основе CRISPR, позволяющую проводить более быстрый и эффективный скрининг генов.

Эксперимент проводился на аквариумных рыбках данио-рерио. Специальной стеклянной иглой, наполненной каплями MIC-Drops, исследовали сделали инъекции оплодотворенных яиц рыбок (капли MIC-Drops окрашены в разные цвета для облегчения визуализации). Раньше было намного трудно проводить такую работу: чтобы инактивировать один ген в эмбрионе, исследователи готовили направляющую РНК, нацеленную на этот ген, затем смешивали ее с ферментом Cas9, загружали раствор в иглу и вводили тщательно откалиброванный объем раствора в эмбрион. Если нужно инактивировать другой ген в другом эмбрионе, нужно было заполнить новую иглу новым раствором Cas9 и направляющую РНК. То есть, этот трудоемкий процесс всегда был сосредоточен на одном гене или на одной модификации за раз.

Благодаря инновационной технологии, разработанной учеными из Юты, стало возможно работать одновременно с 118 генами. При этом исследователи оптимистично заявляют, что «это только начало».

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 20:31:00 ​​Японцы провели первые космические испытания вращающегося детонационного двигателя

Японское агентство аэрокосмических исследований (Japan Aerospace Exploration Agency — JAXA) сообщило о первом успешном включении в космосе двигателя новой конструкции, использующего кольцевые детонационные волны, — вращающемся детонационном двигателе (ВДД).

Запуск состоялся с помощью метеорологической ракеты S-520 (N31), способной по баллистической траектории подниматься до самых верхних слоев атмосферы. Восьмиметровый носитель стартовал с космодрома Утиноура на крайнем юге Японии. Через четыре минуты он достиг высоты 235 километров, а еще через четыре упал в море, где его подобрали специалисты, забрав капсулу с записанными результатами космических испытаний.

Судя по полученным инженерами JAXA данным, тестирование прошло успешно. После отделения первой ступени ракеты ВДД включился и благополучно проработал в течение шести секунд, создав тягу 500 Ньютон. Также на борту имелся и импульсный детонационный двигатель, тоже успешно включившийся, хотя это событие и не стало первым в истории (демонстрационные полеты самолета Scaled Composites Long-EZ, оснащенного таким двигателем, состоялись еще в 2008 году).

Нынешняя разработка особенно важна в свете того, что классические реактивные двигатели практически достигли своих пределов. Инженеры уже давно и активно работают над альтернативными и более перспективными конструкциями, включая детонационные. В таком двигателе происходит взрывное сгорание, продукты которого выбрасываются на сверхзвуковых скоростях. Это позволяет полнее использовать топливо и достигать большей производительности.

В начале 2021 года австралийские разработчики отчитались об успешном запуске такого двигателя на полигоне. Теперь японцы провели первые успешные испытания ВДД на орбите.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 19:50:00 ​​LG установила новый рекорд передачи данных по 6G

Компания LG Electronics объявила о важном достижении в рамках развития технологий связи шестого поколения — 6G. Специалистам компании удалось передать и принять информацию на расстоянии более 100 метров с использованием терагерцового (ТГц) частотного диапазона. Эксперимент проводился исследователями LG в сотрудничестве со специалистами Общества Фраунгофера. Передача данных осуществлялась между Институтом имени Генриха Герца и Берлинским техническим университетом в Германии.

В июле компания Samsung продемонстрировала первый рабочий прототип системы 6G с радиусом действия 15 метров и скоростью передачи данных 6,2 Гбит/с. Теперь инженеры LG совместно с учеными из Общества Фраунгофера смогли увеличить расстояние передачи сигналов до 100 метров, установив новый рекорд.

Для сетей 6G рассматривается возможность применения терагерцового спектра. Сложность заключается в том, что в данном диапазоне наблюдаются значительные потери мощности при передаче сигналов, да и радиус действия не слишком велик. Поэтому необходимы специальные усилители для генерации стабильных сигналов. Как раз такой усилитель и был опробован в рамках испытаний.

Для увеличения радиуса команда использовала усилитель, способный передавать стабильный сигнал с частотами от 155 до 175 ГГц при уровне мощности 15 дБмВт. В то же время технология адаптивного формирования луча помогала направлять сигналы на приемник, а система переключения антенн с высоким коэффициентом усиления объединяла выходные и распределяла их от нескольких усилителей.

Однако в ближайшие годы не стоит ожидать коммерческого применения технологий связи шестого поколения. По оценкам экспертов, внедрение 6G начнется к 2029 году.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 18:19:00 ​​Робот для походов в магазин, суперчип для суперкомпьютеров и «зоркое» машинное зрение: компания Tesla презентовала свои хайтек-новинки

Илон Маск и его коллеги поделились грандиозными планами на корпоративной конференции Tesla — AI Day. «Tesla — компания с глубокой ИИ-активностью в аппаратном обеспечении; хотелось бы, чтобы она воспринималась как нечто гораздо большее, чем компания по производству электромобилей», — так коротко можно сформулировать основной посыл Илона Маска.

Теперь о том, чем удивляли на конференции.

Суперчип для суперкомпьютера. Одним из главных анонсов мероприятия стал компьютерный чип Tesla, разработанный для работы суперкомпьютера Dojo, от которого зависит большая часть архитектуры ИИ компании Tesla. Чип под названием D1 выполнен по 7-нм техпроцессу. Он обладает вычислительной мощностью на уровне GPU с возможностью подключения к CPU и вдвое большей пропускной способностью ввода-вывода, чем «современные чипы сетевых коммутаторов».

Решение проблем компьютерного зрения. Tesla напомнила о подходе к автономности, в рамках которого используются нейронные сети, чтобы в идеале позволить электромобилю функционировать в любой точке планеты при помощи системы автопилота. Есть две основные проблемы, над решением которых Tesla работает с помощью архитектуры компьютерного зрения. Первая — временные окклюзии, когда автомобили на оживленном перекрестке блокируют обзор автопилоту на дорогу. Вторая — знаки или разметка, появляющиеся на дороге не тогда, когда надо и потому некорректно считываемые беспилотником.

Человекоподобный робот для повседневной рутины. В 2022 году компания Tesla планирует представить прототип робота-гуманоида Tesla Bot. Он будет оснащен ИИ, а также набором датчиков, применяемых в электромобилях. Примерный рост прототипа составит 172 см, вес — 57 кг. Он будет работать на тех же чипах и датчиках, которые используются в автомобилях Tesla для автономного вождения. Вместо лица у андроида будет экран с полезной информацией для пользователя. Основой Tesla Bot станет процессор Dojo, который в компании уже назвали «полностью автономным компьютером» — «машиной для машинного обучения». Руки и ноги робота будут управляться с помощью 40 сервоприводов. Tesla Bot будет ходить со скоростью 8 км/ч и поднимать предметы весом до 20 кг. По словам Маска, эти способности позволят андроиду «выполнять опасные, повторяющиеся и скучные задачи». Например, Tesla Bot сможет сходить за человека в магазин и принести продукты.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 17:50:00 ​​Новая технология для крупномасштабного хранения энергии

По данным Международного энергетического агентства, за 2020 год в США было зарегистрировано без малого почти 1,8 млн электромобилей — это более чем в три раза больше, чем в 2016-м.

Самые востребованная источники энергии — возобглвляемые, такие как солнечная и ветровая. Однако вырабатываемую ими электроэнергию необходимо как-то хранить для дальнейшего использования.

Недорогие проточные окислительно-восстановительные батареи (redox flow batteries — RFB) являются одной из наиболее подходящих технологий для хранения электроэнергии. В них химическая энергия обеспечивается двумя химическими компонентами, растворенными в жидкостях, которые прокачиваются через систему на разных сторонах мембраны. Ионный обмен происходит через мембрану, в то время как обе жидкости циркулируют в своем собственном пространстве. Однако в существующих RFB обычно используются дорогостоящие и экологически небезопасные активные материалы (электролиты) — и это проблема.

Есть, правда, еще проточные батареи с водно-органическим окислительно-восстановительным потенциалом (AORFB), которые, как видно из названия, используют воду в качестве растворителя для материалов электролита. Но отсутствие стабильных водорастворимых органических электролитов, особенно положительного электролита (католита), является серьезным препятствием для реализации потенциала AORFB.

Исследовательская группа Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории во главе с доктором Вэй Вангом успешно разработала самый стабильный на сегодняшний день католит (положительный электролит) и продемонстрировала элементы, сохраняющие более 90% в течение 6000 циклов.

В журнале Nature Energy команда ученых не только описала работу такого AORFB, но и представила совершенно новую стратегию разработки водорастворимого католита для повышения растворимости (плотности энергии) в воде. Вместо присоединения гидрофильной функциональной группы исследователи изменяют симметрию молекул, что приводит к резкому увеличению растворимости. С помощью этой стратегии команда планирует разработать новые материалы, которые позволят усовершенствовать RFB.

src Открыть/Комментировать

2021-08-23 17:27:23 ​​Создан первый управляемый гидравликой катетер для хирургии головного мозга

Инженеры и нейробиологи из Калифорнийского университета создали катетер с эластичным наконечником, изгибом которого врач может управлять с помощью гидравлической системы на физрастворе. Это позволяет катетеру проникать в самые извилистые сосуды и выключать аневризмы из кровотока, не рискуя при этом порвать артерию.

Аневризма головного мозга — расширение просвета сосуда, которое при прорыве вызывает внутримозговое кровоизлияние. Единственный действенный метод лечения мозговых аневризм — оперативное вмешательство. Во время него хирурги выключают аневризму из кровотока, проводя ее эмболизацию. Через паховые или бедренные сосуды врачи вводят катетер, который под контролем рентген-аппарата продвигается до места аневризмы. Затем в катетер вводят еще более тонкий катетер с проволочной спиралью на конце. Именно она заполняет полость аневризмы и выключает ее из кровотока. Тем не менее бывают аневризмы, которые расположены в таких местах мозга, куда сложно подобраться так, чтобы не повредить артерии. Также хирургам бывает непросто удержать кончик катетера в фиксированной позиции, чтобы ввести спираль.

Команда ученых во главе с Джеймсом Френдом из Калифорнийского университета взялась за решение этой сложной задачи. Исследователи создали катетер с эластичным наконечником, которым легко управлять. В наконечнике концентрические слои силикона с разной жесткостью располагаются друг над другом — в итоге получается трубка с полостями между слоями. Эти полости заполняются физраствором, чтобы создать гидравлическое давление, которое врачи могут регулировать во время операции и изменять положение наконечника.

Свое изобретение ученые протестировали во время хирургической операции, проводимой на свинье. Животному ввели катетер в бедренную артерию, под контролем рентген-аппарата провели его до наружной сонной артерии, затем изменили наклон кончика, чтобы ввести катетер в восходящую глоточную артерии, а затем — в более мелкий отходящие от нее сосуд, питающий слюнные железы. В этом сосуде и поместили спираль, имитировав эмболизацию аневризмы.

Разработчики отмечают, что их изобретение пригодится не только нейрохирургам и сосудистым хирургам, но и, например, пульмонологам — для получения биопсий в ветвящихся бронхах.

src Открыть/Комментировать