Рубрика: Технології

Ми чуємо про створення метаматеріалів, властивості яких такі химерні, що вони поєднують непоєднувані в природі характеристики від твердості та пружності до невидимості, звукоізоляції та інших. Вчені зі США проробили щось подібне в галузі рідких речовин. Створену в Гарварді метарідкість можна програмувати на ті чи інші якості: змінювати в’язкість, прозорість, силу стиснення або навіть перетворювати з ньютонівської на неньютонівську і назад.

З метаматеріалами просто, якщо так можна сказати. Їх характеристики визначає продумана структура з дрібніших компонентів. Форма, розмір та розташування цих компонентів дозволяють маніпулювати розповсюдженням електромагнітних або звукових хвиль, створювати зусилля у певних точках та розслабляти в інших. Якщо зважити на той факт, що рідини течуть і набувають форми ємності, то метарідкості можуть проявити себе там, де тверді метаматеріали себе ще не проявили або в принципі не можуть проявити.

«На відміну від твердих метаматеріалів, метарідини мають унікальну здатність текти і пристосовуватися до форми свого контейнера, — говорить Катя Бертольді (Katia Bertoldi), перший автор дослідження, вчений з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук (SEAS). — Нашою метою було створити метарідкість, яка не тільки має ці чудові властивості, а й забезпечує платформу для програмованої в’язкості, стисливості та оптичних властивостей».

Запропонована вченими метарідкість є завись наповнених повітрям кульок з еластомеру діаметром від 50 до 500 мкм. Крихітні кульки поміщені в розчин силіконової олії. Якщо до контейнера з кульками додати тиск, то вони стискатимуться і знову прийматимуть круглу форму, коли тиск спаде. Кожен із цих двох станів надає метарідкості свої унікальні властивості.

Наприклад, коли тиску немає, кульки залишаються круглими і розсіюють падаючий на них світло. З подачею тиску кульки набувають плоскої лінзоподібної форми і починають пропускати фонове зображення. На даному ефекті можна уявити роботу кольорового електронного чорнила. Або інший приклад — це кисть робота зі зворотним зв’язком для м’якого захоплення крихких предметів. Метажідкість автоматично без датчиків тиску тільки шляхом своєї здатності реагувати на зовнішній тиск регулює силу стиснення: одну при зніманні ягід, іншу при збиранні яєць і третю при підйомі ваги.

Також запропонована вченими метарідкість може перемикатися між ньютонівськими та неньютонівськими рідинами. Коли капсули мають сферичну форму — це ньютонівська система, тобто її в’язкість змінюється тільки з температурою, подібно до води, але коли вони стискуються, рідина стає неньютонівською, що змушує її в’язкості діяти за іншими законами.

Крім наведених вище прикладів метарідкость може використовуватися в амортизаторах, які отримають здатність розсіювати енергію удару і навіть у водяних комп’ютерах, граючи роль логіки. Нарешті, навіть властивості вигаданої метарідкості можна буде змінювати в широких межах, змінюючи лише розмір кульок у ній, про що вчені розповіли у роботі, опублікованій у журналі Nature.

Професор Джіюн Кім і його команда з Департаменту матеріалознавства та інженерії Ульсанського національного інституту науки і технологій (UNIST) розробили новаторську технологію, здатну ідентифікувати людські емоції в реальному часі. Ця передова інновація має зробити революцію в різних галузях промисловості, включаючи носимі системи наступного покоління, які надають послуги на основі емоцій.

Розуміння та точне вилучення емоційної інформації вже давно є проблемою через абстрактну та неоднозначну природу людських афектів, таких як емоції, настрої та почуття. Щоб вирішити цю проблему, дослідницька група розробила мультимодальну систему розпізнавання людських емоцій, яка поєднує вербальні та невербальні дані для ефективного використання повної емоційної інформації.

Інновації в носимих технологіях

В основі цієї системи лежить система персонального інтегрованого в шкіру лицевого інтерфейсу (PSiFI), яка є автономною, легкою, розтяжною та прозорою. Він оснащений першим у своєму роді двонаправленим трибоелектричним датчиком деформації та вібрації, який дозволяє одночасно сприймати та інтегрувати вербальні та невербальні дані. Система повністю інтегрована зі схемою обробки даних для бездротової передачі даних, що дозволяє розпізнавати емоції в реальному часі.

Використовуючи алгоритми машинного навчання, розроблена технологія демонструє точні завдання розпізнавання людських емоцій у реальному часі, навіть якщо люди носять маски. Система також була успішно застосована в програмі цифрового консьєржа в середовищі віртуальної реальності (VR).

Технологія заснована на явищі «заряджання тертям», коли об’єкти під час тертя поділяються на позитивні та негативні заряди. Примітно, що система є самогенеруючою, не потребуючи зовнішнього джерела живлення чи складних вимірювальних пристроїв для розпізнавання даних.

Налаштування та розпізнавання в реальному часі

Професор Кім прокоментував: «Грунтуючись на цих технологіях, ми розробили систему інтегрованого в шкіру інтерфейсу обличчя (PSiFI), яку можна налаштувати для окремих людей». Команда використала техніку напівзатвердіння для виготовлення прозорого провідника для фрикційних електродів. Крім того, персоналізована маска була створена з використанням техніки багаторакурсної зйомки, що поєднує в собі гнучкість, еластичність і прозорість.

Дослідницька група успішно інтегрувала виявлення деформації м’язів обличчя та вібрації голосових зв’язок, дозволяючи розпізнавати емоції в реальному часі. Можливості системи були продемонстровані в додатку віртуальної реальності «цифровий консьєрж», де надавалися індивідуальні послуги на основі емоцій користувачів.

Джин Піо Лі, перший автор дослідження, заявив: «Завдяки цій розробленій системі можна реалізувати розпізнавання емоцій у реальному часі лише за кілька кроків навчання та без складного вимірювального обладнання. Це відкриває можливості для портативних пристроїв розпізнавання емоцій і цифрових платформ наступного покоління на основі емоцій».

Дослідницька група провела експерименти з розпізнавання емоцій у реальному часі, збираючи мультимодальні дані, такі як деформація м’язів обличчя та голос. Система показала високу точність емоційного розпізнавання з мінімальним навчанням. Його бездротовий зв’язок із можливістю налаштування забезпечує зручність носіння та зручність.

Крім того, команда застосувала систему до середовищ віртуальної реальності, використовуючи її як «цифрового консьєржа» для різних умов, включаючи розумні будинки, приватні кінотеатри та розумні офіси. Здатність системи визначати індивідуальні емоції в різних ситуаціях дозволяє надавати персоналізовані рекомендації щодо музики, фільмів і книг.

Професор Кім підкреслив: «Для ефективної взаємодії між людьми та машинами пристрої людино-машинного інтерфейсу (HMI) повинні бути здатні збирати різні типи даних і обробляти складну інтегровану інформацію. Це дослідження є прикладом потенціалу використання емоцій, які є складними формами людської інформації, у носимих системах наступного покоління».

Дослідники з Технічного університету Данії (DTU) успішно застосували квантове шифрування для безпечної передачі інформації на відстань 100 кілометрів через оптоволоконний кабель, приблизно таку ж відстань, як між Оксфордом і Лондоном.

Вчені Технічного університету Данії (DTU) досягли прориву в захищеному зв’язку, розповсюдивши квантово-безпечний ключ за допомогою безперервного розподілу квантового ключа (CV QKD). Ця команда встановила новий рекорд, зробивши техніку ефективною на безпрецедентній дистанції в 100 кілометрів, найбільшій відстані, досягнутій за допомогою CV QKD. Перевагою методу є те, що його можна застосувати до існуючої інфраструктури Інтернету.

Квантові комп’ютери загрожують існуючим шифруванням на основі алгоритмів, які зараз захищають передачу даних від прослуховування та стеження. Вони ще не настільки потужні, щоб їх зламати, але це питання часу. Якщо квантовому комп’ютеру вдається розробити найбезпечніші алгоритми, він залишає відкритими двері для всіх даних, підключених через Інтернет. Це прискорило розробку нового методу шифрування, заснованого на принципах квантової фізики.

Але щоб досягти успіху, дослідники повинні подолати одну з проблем квантової механіки – забезпечення узгодженості на великих відстанях. Безперервний змінний квантовий розподіл ключів наразі найкраще працював на коротких відстанях.

«Ми досягли широкого діапазону покращень, особливо щодо втрати фотонів на цьому шляху. У цьому експерименті, опублікованому в Science Advances, ми безпечно розповсюдили квантово-зашифрований ключ на 100 кілометрів через оптоволоконний кабель. Це рекордна відстань із цим методом», — каже Тобіас Герінг, доцент DTU, який разом із групою дослідників DTU прагне поширювати квантово-зашифровану інформацію по всьому світу через Інтернет.

Секретні ключі від квантових станів світла

«Коли дані потрібно надіслати з А в Б, вони повинні бути захищені. Шифрування поєднує дані з безпечним ключем, розподіленим між відправником і одержувачем, щоб обидва могли отримати доступ до даних. Третя сторона не повинна мати можливість визначити ключ під час його передачі; інакше шифрування буде скомпрометовано. Тому обмін ключами є важливим для шифрування даних.

Квантовий розподіл ключів (QKD) — це передова технологія, над якою працюють дослідники для важливих обмінів. Технологія забезпечує обмін криптографічними ключами за допомогою світла від квантово-механічних частинок, званих фотонами.

Коли відправник надсилає інформацію, закодовану у фотонах, квантово-механічні властивості фотонів використовуються для створення унікального ключа для відправника та одержувача. Спроби інших виміряти або спостерігати фотони в квантовому стані миттєво змінять їхній стан. Отже, фізично можливо виміряти світло лише шляхом збурення сигналу.

«Неможливо зробити копію квантового стану, як при копіюванні аркуша формату А4 – якщо спробувати, то буде неповноцінна копія. Це гарантує, що неможливо скопіювати ключ. Це може захистити критичну інфраструктуру, таку як медичні записи та фінансовий сектор, від злому», – пояснює Тобіас Герінг.

Працює через існуючу інфраструктуру

Технологію постійного змінного квантового розподілу ключів (CV QKD) можна інтегрувати в існуючу інтернет-інфраструктуру.

«Перевага використання цієї технології полягає в тому, що ми можемо створити систему, яка нагадує те, на що вже спирається оптичний зв’язок».

Основою Інтернету є оптичний зв’язок. Він працює, надсилаючи дані через інфрачервоне світло, що проходить через оптичні волокна. Вони функціонують як світловоди, прокладені в кабелях, забезпечуючи надсилання даних по всьому світу. Дані можна надсилати швидше та на більшу відстань через волоконно-оптичні кабелі, а світлові сигнали менш сприйнятливі до перешкод, які технічною мовою називають шумом.

«Це стандартна технологія, яка використовується протягом тривалого часу. Отже, вам не потрібно винаходити нічого нового, щоб мати можливість використовувати його для розповсюдження квантових ключів, і це може значно здешевити впровадження. І ми можемо працювати при кімнатній температурі», — пояснює Тобіас Герінг, додаючи:

«Але технологія CV QKD найкраще працює на коротших відстанях. Наше завдання — збільшити дистанцію. І 100 кілометрів – це великий крок у правильному напрямку».

Шум, помилки та допомога від машинного навчання

Дослідникам вдалося збільшити відстань, звернувшись до трьох факторів, які обмежують їх систему в обміні квантово-зашифрованими ключами на більшій відстані:

Машинне навчання забезпечило попередні вимірювання збоїв, що впливають на систему. Шум, як називають ці збурення, може виникати, наприклад, через електромагнітне випромінювання, яке може спотворювати або руйнувати квантові стани, що передаються. Раніше виявлення шуму дозволило більш ефективно зменшити його відповідний ефект.

Крім того, дослідники стали кращими у виправленні помилок, які можуть виникнути під час роботи, які можуть бути спричинені шумом, перешкодами або недосконалістю апаратного забезпечення.

«У нашій майбутній роботі ми будемо використовувати цю технологію для встановлення захищеної мережі зв’язку між міністерствами Данії, щоб убезпечити їхній зв’язок. Ми також спробуємо згенерувати секретні ключі між, наприклад, Копенгагеном і Оденсе, щоб компанії з філіями в обох містах могли встановлювати квантово безпечний зв’язок», — говорить Тобіас Герінг.

Українські інженери створили нові бойові частини для дронів-камікадзе, які набагато краще за звичайні розкидають уламки при вибуху. Це дозволяє вражати велику площу та завдавати великих втрат російським окупантам. Виробник дронів-камікадзе «Дикі шершні» протестував і комплектуватиме власні безпілотники новими видами бойових частин виробництва української компанії, Shock Wave Dynamics (SWD).

«Дикі шершні» отримали партію потужних боєприпасів для FPV-дронів різних розмірів та типів, зокрема осколкові, фугасні та з ударним ядром. Поліпшені безпілотники вже відправили на передову для тестування.

SWD розповів про бойову частину дронів — компанія виробляє так звані холодні боєприпаси, які поставляються без детонатора та вибухівки. Вони призначені для спорядження дронів у польових умовах військовими інженерами. Серед боєприпасів – осколкові, кумулятивні, універсальні та спеціальні. Усі БЗ мають специфічні властивості, адаптовані під конкретні випадки використання.

Своєю основною метою компанія називає підвищення ефективності кожного дрона-камікадзе, що застосовується на полі бою. Це досягається шляхом створення оптимальних секторів ураження, оптимізації маси, балансу між вибуховою речовиною, кількістю, вагою та швидкістю елементів ураження.

«Ми створюємо таку ергономіку бойових частин, що мінімізує час на спорядження у польових умовах. Наша компанія постійно вдосконалює наявні та розробляє нові вироби, спираючись на зворотний зв’язок безпосередньо з поля бою», — розповідає представник SWD.

Уламково-фугасна частина для FPV-дронів – це новий виріб SWD. Конструктори вважають, що останнім часом на дронах камікадзе використовується неоптимальна осколково-фугасна БЗ. Звичайний заряд циліндричної форми закріплений вздовж осі дрона. Такі боєприпаси мають досить вузьку смугу поширення уламків, які формують досить щільну, але вузьку смугу. При такому розподілі більшість осколків відлітають у небо або в ґрунт.

Щоб підвищити коефіцієнт корисної дії боєприпасу, SWD змінили його форму та розташування. В результаті при вибуху утворюється менш щільне, але ефективніше осколкове поле завдяки розширенню сектора ураження та зменшенню неохоплених зон. В результаті уламки розлітаються горизонтальніше, менше їх йде в повітря або землю. Цим досягається більш ефективне ураження цілей за перешкодою, наприклад, усередині транспортного засобу.

На рівні землі класичний заряд теж працює не надто ефективно, його поле ураження відчутно обмежене. Більш широкий сектор поразки дозволяє уламкам вразити більше цілей, наприклад, російських військових, які стоять на землі.

Конструкція уламкового боєприпасу створена таким чином, щоб забезпечити максимальну щільність рівномірно розташованих елементів ураження. Щоб отримати максимальний ККД від енергії вибуху та забезпечити максимальну швидкість уламків, між ними та вибуховою речовиною розташований лайнер із пластику та парафіну. Елемент ураження — сфера масою 0,9 грама. Кількість уламків – 576 штук. Для більшої швидкості заряд кріпиться на легко знімних стрічках типу липучка.

Світ сонячної енергії готовий до революції. Вчені намагаються розробити новий тип сонячної батареї з використанням матеріалів, які можуть перетворювати електроенергію ефективніше, ніж сучасні панелі. 

У новій статті, опублікованій в журналі Nature Energy, дослідник Боулдерського університету Колорадо та його міжнародні співробітники оприлюднили інноваційний метод виробництва нових сонячних елементів, відомих як перовскітні елементи, досягнення, критичне для комерціалізації того, що багато хто вважає наступним поколінням. сонячних технологій.

Сьогодні майже всі сонячні панелі виготовляються з кремнію, ефективність якого становить 22%. Це означає, що кремнієві панелі можуть перетворювати приблизно одну п’яту сонячної енергії в електрику, оскільки матеріал поглинає лише обмежену частину довжин хвиль сонячного світла. Виробництво кремнію також є дорогим і енергоємним.

Введіть перовскіт. Синтетичний напівпровідниковий матеріал може перетворювати значно більше сонячної енергії, ніж кремній, за нижчої вартості виробництва.

«Перовскіти можуть змінити правила гри», — сказав Майкл МакГіхі, професор кафедри хімічної та біологічної інженерії та співробітник Інституту відновлюваної та стійкої енергії CU Boulder. 

Підвищення ефективності за допомогою інновацій

Вчені тестували перовскітові сонячні елементи, укладаючи їх поверх традиційних кремнієвих елементів, щоб створити тандемні елементи. Пошарування двох матеріалів, кожен з яких поглинає різну частину сонячного спектра, потенційно може збільшити ефективність панелей більш ніж на 50%.

«Ми все ще спостерігаємо швидку електрифікацію, де більше автомобілів працюють без електрики. Ми сподіваємося вивести з експлуатації більше вугільних електростанцій і врешті-решт позбутися заводів, що працюють на природному газі», – сказав МакГіхі. «Якщо ви вірите, що у нас буде повністю відновлюване майбутнє, тоді ви плануєте, що ринки вітру та сонячної енергії зростуть щонайменше в п’ять-десять разів порівняно з поточним». 

Щоб досягти цього, сказав він, промисловість повинна підвищити ефективність сонячних батарей.

Але головною проблемою при виробництві їх із перовскіту в промислових масштабах є процес нанесення напівпровідника на скляні пластини, які є будівельними блоками панелей. Зараз процес нанесення покриття має відбуватися в невеликій коробці, наповненій нереактивним газом, таким як азот, щоб запобігти реакції перовскітів з киснем, що знижує їх продуктивність.  

«На етапі дослідження це нормально. Але коли ви починаєте наносити покриття на великі шматки скла, стає все важче і важче робити це в заповненій азотом коробці», — сказав Макгіхі. 

МакГіхі та його співробітники вирішили знайти спосіб запобігти цій шкідливій реакції з повітрям. Вони виявили, що додавання форміату диметиламонію, або DMAFo, до розчину перовскіту перед покриттям може запобігти окисленню матеріалів. Це відкриття дозволяє наносити покриття за межами маленької коробки, у навколишньому повітрі. Експерименти показали, що перовскітні клітини, виготовлені з добавкою DMAFo, можуть самостійно досягти ефективності майже 25%, що можна порівняти з поточним рекордом ефективності для перовскітних клітин у 26%. 

Добавка також покращила стабільність клітин. 

Майбутні перспективи та застосування

Комерційні кремнієві панелі зазвичай можуть зберігати щонайменше 80% своєї продуктивності через 25 років, втрачаючи приблизно 1% ефективності на рік. Проте клітини перовскіту більш реакційноздатні та швидше розкладаються на повітрі. Нове дослідження показало, що перовскітова клітина, виготовлена ​​з DMAFo, зберегла 90% своєї ефективності після того, як дослідники піддали їх світлодіодному світлу, яке імітує сонячне світло, протягом 700 годин. Навпаки, клітини, виготовлені на повітрі без ДМАФо, швидко деградували лише через 300 годин. 

Хоча це дуже обнадійливий результат, за рік є 8000 годин, зазначив він. Тож потрібні триваліші тести, щоб визначити, як ці клітини витримують протягом тривалого часу. 

«Занадто рано говорити, що вони такі ж стабільні, як кремнієві панелі, але ми на хорошому шляху до цього», — сказав МакГіхі. 

Дослідження наближає перовскітні сонячні елементи на крок ближче до комерціалізації. В той самий час команда МакГіхі активно розробляє тандемні елементи з ефективністю понад 30% у реальному світі, які мають такий самий термін служби, як і кремнієві панелі. 

McGehee очолює американське академічно-промислове партнерство під назвою Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Разом із дослідниками з трьох інших університетів, двох компаній і національної лабораторії минулого року консорціум отримав 9 мільйонів доларів від Міністерства енергетики США для розробки стабільних тандемних перовскітів, які можна реально використовувати в реальному світі та є комерційно життєздатними. Мета полягає в тому, щоб створити тандем, більш ефективний, ніж звичайні кремнієві панелі, і однаково стабільний протягом 25 років. 

Завдяки вищій ефективності та потенційно нижчій ціні ці тандемні елементи можуть мати ширше застосування, ніж існуючі кремнієві панелі, включаючи можливе встановлення на дахах електромобілів. Вони могли б збільшити запас ходу від 15 до 25 миль на день до автомобіля, який залишили на сонці, цього достатньо, щоб покривати щоденні поїздки багатьох людей. Безпілотники та вітрильники також можуть працювати від таких панелей.  

Після десятиліття досліджень перовскітів інженери побудували перовскітні клітини, які є такими ж ефективними, як кремнієві елементи, які були винайдені 70 років тому, сказав МакГіхі. «Ми виводимо перовскіти на фінішну пряму. Якщо тандеми спрацюють добре, вони, безсумнівно, мають потенціал домінувати на ринку та стати наступним поколінням сонячних батарей», — сказав він.