Рубрика: Технології

Команда дослідників з наукового інституту NanoSystems при Каліфорнійському університеті Лос-Анджелеса розробила пристрій, який знижує відблиски на зображеннях. Розробка в якій застосовується технологія двовимірного напівпровідника, може використовувати навколишнє світло як передовий «розумний фільтр». Розробники стверджують, що їхній фільтр допомагає значно підвищити якість фотографій у недорогих камер.

Створений пристрій розміром 0,4×0,4 дюйма (1×1 сантиметр) оснащений ультратонким прозорим чіпом завтовшки всього кілька атомів, в якому міститься масив пікселів розміром 100Х100.

«Недорогий пристрій розміром у пару сантиметрів міг би змусити малопотужну камеру працювати як камера надвисокої роздільної здатності. Це значно здешевило б доступ до технологій зображення та сканування з високою роздільною здатністю», — коментує Айдоган Озджан (Aydogan Ozcan), професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Каліфорнійського університету Лос-Анджелеса та співавтор дослідження. Подробиці дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.

Команда дослідників прагнула знайти матеріал із мінімальним світлопоглинанням, але при цьому здатний генерувати сигнал, достатній для обробки світла. Об’єкт дослідження є прозорою площиною розміром один квадратний сантиметр. У ньому використовується двомірний напівпровідник, який є тонкою плівкою товщиною в кілька атомів. Через свою тонкість матеріал прозорий, але тим не менш володіє властивостями, що дозволяють фотонам, що проходять через нього, ефективно контролювати електропровідність. Для функціонування напівпровідника 2D його підключили за допомогою електродів до шару рідкого кристала. Кінцевим продуктом виявився інтелектуальний світлофільтр з роздільною здатністю 10 000 пікселів, який може швидко та вибірково затемнюватися нелінійним чином у відповідь на широкосмугове навколишнє освітлення.

За словами команди, кожен піксель у складі фільтра може переходити від повної прозорості до часткової прозорості та повної непрозорості. Примітно, що для різкої зміни стану потрібна мінімальна кількість фотонів. Дослідники продемонстрували роботу свого винаходу із камерою смартфона, де він ефективно зменшив відблиски на зображеннях.

Крім зниження відблисків фотокамер технологія має широкий потенціал застосування у споживчих та промислових завданнях. Наприклад, вона може використовуватися в розвинених системах автономного розпізнавання транспортних засобів і в камерах, які можуть ідентифікувати одні об’єкти, приховуючи інші, в шифруванні зображень, а також для швидкого і точного виявлення дефектів роботизованих складальних лініях.

Як зазначають дослідники, подібний фільтр має безліч переваг. Наприклад, він дозволяє обробляти вхідні зображення без необхідності їх перетворення на цифровий сигнал, тим самим прискорюючи отримання результатів та мінімізуючи дані, що надсилаються в хмару для цифрової обробки та зберігання.

Розробники очікують, що їхня технологія в перспективі використовуватиметься в недорогих камерах. Крім того, вона може сприяти розвитку оптичних комп’ютерів. Однією з ключових проблем останніх була складність отримання нелінійних відгуків, що мають вирішальне значення для генерації сигналів, які не суворо пропорційні вхідному сигналу. Нелінійність, у свою чергу, має вирішальне значення для створення універсальних обчислювальних систем, включаючи штучний інтелект.

Нелінійні матеріали та пристрої, що знаходяться в розробці, вимагають значного припливу світла для ефективної роботи. Для задоволення цієї потреби доводиться покладатися потужні лазери, обмежені вузькою смугою електромагнітного спектра. В якості альтернативи можна використовувати матеріали з низькою швидкістю поглинання світла, але це призводить до зниження швидкості обробки. Крім того, це вимагає застосування енергоефективних матеріалів, здатних поглинати значну кількість світла, але не придатних для завдань, у яких пріоритет надається світлоефективності чи прозорості.

Дослідження фахівців Каліфорнійського університету показало, що крихітний масив прозорих пікселів може генерувати швидку, широкомасштабну та нелінійну реакцію на малопотужне навколишнє світло. «Актуальні рішення у нелінійній оптиці сильно відстають від того, що нам потрібно для додатків візуальних обчислень. А нам потрібні малопотужні, широкосмугові, з низькими втратами та швидкі нелінійності для оптичних систем. Наша розробка допомагає вирішити це питання», — додав Озджан.

Цей прогрес може дозволити розробити компактні тривимірні фотонні інтегровані пристрої, здатні обробляти великі обсяги даних тощо. Дослідники розробили новий спосіб контролю та маніпулювання оптичними сигналами, вбудовуючи рідкокристалічний шар у хвилеводи, створені за допомогою прямого лазерного запису. Нові пристрої забезпечують електрооптичний контроль поляризації, що може відкрити нові можливості для пристроїв на основі чіпів і складних фотонних схем на основі хвилеводів із фемтосекундним записом.

«Лазерний запис хвилеводів і електрооптична модуляція за допомогою рідких кристалів раніше не поєднувалися таким чином», — сказав Алессандро Альберучі з Єнського університету імені Фрідріха Шиллера в Німеччині. «Ми сподіваємося, що ця технологія може бути використана для створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв, які можуть обробляти великі обсяги інформації для центрів обробки даних та інших додатків, що інтенсивно обробляють дані».

У журналі Optical Materials Express дослідники описують, як вони створили регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу з плавленого кремнезему. При подачі напруги на рідкий кристал його молекули обертаються, що змінює поляризацію світла, що проходить через хвилевід. В експериментах дослідники продемонстрували повну модуляцію оптичної поляризації на двох різних видимих ​​довжинах хвиль.

«Наша робота прокладає шлях до інтеграції нових типів оптичних функцій у весь об’єм одного скляного чіпа, створюючи компактні 3D фотонні інтегровані пристрої, які раніше були неможливими», — сказав Альберуччі. «Унікальна тривимірна природа фемтосекундних хвилеводів може бути використана для створення нових просторових модуляторів світла, де кожен піксель окремо обробляється одним хвилеводом. Технологія також може знайти застосування в експериментальній реалізації щільних оптичних нейронних мереж».

Поєднання двох ключових технологій

Фемтосекундні лазери можна використовувати для запису хвилеводів глибоко всередині матеріалу, а не лише на поверхні, як інші методи, що робить його перспективним підходом до максимального збільшення кількості хвилеводів на одному чіпі. Цей підхід передбачає фокусування інтенсивного лазерного променя всередині прозорого матеріалу. Коли оптична інтенсивність достатньо висока, промінь змінює матеріал під освітленням, таким чином діючи як своєрідна ручка з точністю до мікрометра.

«Найважливішим недоліком використання технології фемтосекундного лазерного запису для створення хвилеводів є складність модуляції оптичного сигналу в цих хвилеводах», — сказав Альберуччі. «Оскільки повна комунікаційна мережа потребує пристроїв, здатних контролювати переданий сигнал, наша робота досліджує нові рішення для подолання цього обмеження».

У новій статті дослідники поєднали дві фундаментальні фотонні технології, вставивши шар рідкого кристала у хвилевід. Коли промінь, що поширюється всередині хвилеводу, потрапляє в шар рідкого кристала, він змінює фазу та поляризацію світла під час застосування електричного поля. Потім модифікований промінь проходить через другу секцію хвилеводу, таким чином поширюється промінь із модульованими властивостями.

«Гібридизація дозволяє отримати доступ до переваг обох технологій в одному пристрої: велика концентрація світла завдяки ефекту наведення та великий ступінь настроюваності, пов’язаної з рідкими кристалами», — сказав Альберуччі. «Це дослідження відкриває шлях до використання властивостей рідких кристалів як модуляторів у фотонних пристроях, які мають хвилеводи, вбудовані у весь їхній об’єм».

Переваги гібридного підходу

Хоча оптична модуляція в фемтосекундних хвилеводах, написаних лазером, раніше досягалася шляхом локального нагрівання хвилеводу, використання рідких кристалів у новій роботі дозволяє безпосередньо контролювати поляризацію. «Наш підхід має кілька потенційних переваг: менше енергоспоживання, можливість незалежного вирішення окремих хвилеводів у масі та менші перехресні перешкоди між сусідніми хвилеводами», — сказав Альберуччі.

Щоб перевірити пристрої, дослідники вводили лазерне світло у хвилевід, а потім змінювали напругу, прикладену до рідкокристалічного шару, який модулював світло. Виміряна поляризація на виході змінювалася відповідно до теорії. Вони також виявили, що інтеграція рідкого кристала з хвилеводами залишила властивості модуляції рідких кристалів незмінними.

Дослідники зазначають, що це дослідження є лише підтвердженням концепції, тому потрібно зробити більше роботи, перш ніж технологія буде готова до практичного застосування. Наприклад, поточний пристрій модулює кожен хвилевід однаково, тому вони працюють над досягненням незалежного керування кожним хвилеводом.

Дослідники з RIKEN Center for Emergent Matter Science та їхні партнери створили гнучку водонепроникну органічну фотоелектричну плівку. Ця інноваційна плівка дозволяє інтегрувати сонячні батареї в одяг, зберігаючи функціональність навіть після впливу дощу або циклів прання.

Одним із потенційних застосувань органічної фотоелектричної енергії є створення переносної електроніки — пристроїв, які можна прикріпити до одягу, які можуть контролювати, наприклад, медичні пристрої, не вимагаючи заміни батареї. Однак дослідники виявили, що важко досягти водонепроникності без використання додаткових шарів, які в кінцевому підсумку зменшують гнучкість плівки.

Прорив у фотоелектричних технологіях

Тепер у роботі, опублікованій у Nature Communications, група вчених змогла зробити саме це. Вони взяли на себе завдання подолання основного обмеження попередніх пристроїв, яке полягає в тому, що їх важко зробити водонепроникними без зменшення гнучкості. Фотоелектричні плівки зазвичай складаються з кількох шарів. Існує активна система, яка вловлює енергію певної довжини хвилі сонячного світла та використовує цю енергію для розділення електронів і «електронних дірок» на катод і анод. Потім електрони та дірки можуть знову з’єднатися через ланцюг, виробляючи електрику. У попередніх пристроях шар, що транспортує електронні дірки, зазвичай створювався послідовно шляхом нашарування.

Однак для поточної роботи дослідники нанесли анодний шар, у цьому випадку срібний електрод, безпосередньо на активні шари, створюючи кращу адгезію між шарами. Вони використовували процес термічного відпалу, витримуючи плівку на повітрі при 85 градусах Цельсія протягом 24 годин. За словами Сісін Сюн, першого автора статті, «було складно сформувати шар, але ми були щасливі, що це зробили, і врешті змогли створити плівку товщиною всього 3 мікрометри, і ми дивилися з нетерпінням чекаю результатів тестів».

Те, що група побачила під час тестування, було дуже обнадійливим. Спочатку вони повністю занурили плівку у воду на чотири години та виявили, що вона все ще має 89 відсотків початкових характеристик. Потім вони розтягнули плівку на 30 відсотків у 300 разів під водою і виявили, що навіть із таким покаранням вона зберегла 96 відсотків своїх характеристик. В якості останнього випробування вони запустили його в пральну машину, і він витримав ці випробування, чого ніколи раніше не було.

За словами Кендзіро Фукуди, одного з відповідних авторів статті, «те, що ми створили, — це метод, який можна використовувати більш загально. Дивлячись у майбутнє, покращуючи стабільність пристроїв в інших сферах, таких як вплив повітря, сильного світла та механічних навантажень, ми плануємо продовжити розвиток наших ультратонких органічних сонячних елементів, щоб їх можна було використовувати для дійсно практичних пристроїв, які можна носити.»

Компанія Elia опублікувала відеоролик будівництва першого штучного енергетичного острова Принцеси Єлизавети, який стане інноваційною електричною мережею в морі, що з’єднує вітряні морські електростанції з материковою частиною Бельгії.

Острів Принцеси Єлизавети отримуватиме електроенергію від вітряних турбін кабелями, а потім перетворюватиме її на високовольтну електроенергію і розподілятиме її по материковій частині Бельгії та іншим європейським країнам.

Будівництво штучного острова розпочалося у березні 2024 року і має завершитись у серпні 2026 року.

Незважаючи на кращі окремі компоненти, роботи відстають від тварин у загальній продуктивності, що свідчить про те, що в майбутньому ми зосередимося на кращій системній інтеграції та контролі в робототехніці.

Інженери-робототехніки працювали десятиліттями та інвестували багато мільйонів доларів у спроби створити робота, який може ходити чи бігати так само добре, як тварина. І все ж таки залишається те, що багато тварин здатні на подвиги, які були б неможливі для існуючих сьогодні роботів.

«Антилопа гну може мігрувати на тисячі кілометрів по пересіченій місцевості, гірський козел може піднятися буквально на скелю, знаходячи опори, яких начебто навіть немає, а таргани можуть втратити ногу і не сповільнитися», — говорить доктор. Макс Донелан, професор кафедри біомедичної фізіології та кінезіології університету Саймона Фрейзера. «У нас немає роботів, здатних на таку витривалість, спритність і міцність».

Порівняння роботів із тваринами

Щоб зрозуміти, чому та кількісно визначити, чому роботи відстають від тварин, міждисциплінарна група вчених та інженерів із провідних дослідницьких університетів завершила детальне дослідження різних аспектів бігу роботів, порівнюючи їх з їхніми еквівалентами у тварин, для статті, опублікованої в Science Robotics. . У документі встановлено, що за показниками, які використовують інженери, біологічні компоненти працюють напрочуд погано порівняно з виготовленими деталями. Однак тварини перевершують свою інтеграцію та контроль над цими компонентами.

Разом із Донеланом команда складалася з докторів. Сем Берден, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії Вашингтонського університету ; Том Ліббі, старший інженер-дослідник SRI International; Каушік Джаярам, ​​доцент кафедри машинобудування Пола М. Раді в Університеті Колорадо Боулдер; і Саймон Спонберг, ад’юнкт-професор фізики та біологічних наук у Технологічному інституті Джорджії.

Дослідники вивчали одну з п’яти різних «підсистем», які об’єднуються для створення робота, що біжить, — Power, Frame, Actuation, Sensing і Control — і порівнювали їх з їхніми біологічними еквівалентами. Раніше вважалося, що перевага тварин над роботами має бути зумовлена ​​перевагою біологічних компонентів.

«Так склалося, що, за незначними винятками, інженерні підсистеми перевершують біологічні еквіваленти, а іноді й радикально перевершують їх», — каже Ліббі. «Але також дуже, дуже ясно, що якщо порівняти тварин із роботами на рівні всієї системи, з точки зору руху, тварини дивовижні. А роботам ще належить наздогнати».

Уявлення про розвиток робототехніки

Більш оптимістично щодо галузі робототехніки дослідники відзначили, що якщо порівняти відносно короткий час, який робототехніці знадобилося для розвитку своєї технології, з незліченними поколіннями тварин, які еволюціонували протягом багатьох мільйонів років, прогрес насправді був надзвичайно швидким. .

«Це рухатиметься швидше, оскільки еволюція не спрямована», — каже Берден. «У той час, як ми можемо значною мірою виправити те, як ми проектуємо роботів і навчитися чогось в одному роботі та завантажити це в кожного іншого робота, біологія не має такої можливості. Отже, є способи, за допомогою яких ми можемо рухатися набагато швидше, коли ми створюємо роботів, ніж ми можемо через еволюцію, – але еволюція має величезну перевагу».

Більш ніж просто інженерний виклик, ефективні бігові роботи пропонують незліченну кількість потенційних застосувань. Ця технологія має багато потенційних застосувань для вирішення завдань доставки «останньої милі» у світі, створеному для людей, який часто важко орієнтуватися для колісних роботів, проведення пошуків у небезпечних середовищах або обробки небезпечних матеріалів.

Майбутні напрямки в робототехніці

Дослідники сподіваються, що це дослідження допоможе спрямувати майбутній розвиток технології роботів, з акцентом не на створенні кращого апаратного забезпечення, а на розумінні того, як краще інтегрувати та контролювати існуюче обладнання. Донелан робить висновок: «Оскільки техніка вивчає принципи інтеграції з біології, бігові роботи стануть такими ж ефективними, гнучкими та міцними, як і їхні біологічні аналоги».