Текст уведомления здесь

Vita ex machina № 3

Дроны вместо пчел, батарейки на желудочном соке и другие новости бионики

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь, кажется, у нас это получается все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.
Добавить в закладки
Комментарии

Японские ученые научили дронов опылять цветы и сделали это, похоже, почти случайно. В 2007 году химик Эйджиро Мияко (Eijiro Miyako) синтезировал ионпроводящий полимерный гель, который он надеялся применить в каких-нибудь электрохимических устройствах вроде аккумуляторов или солнечных батарей. Но тогда с этой затеей ничего не получилось, и образцы геля забросили куда подальше, в ящики лабораторных столов, — до лучших времен, до уборки.

Эти времена настали спустя восемь лет. В 2015 году ученый случайно наткнулся на старые образцы и удивился, что они не деградировали: обычно такие гели, как губки, держат внутри себя много жидкости, а на воздухе высыхают за несколько недель или месяцев, превращаясь из желеобразной массы в порошок. Вместе с коллегами он решил попробовать использовать эти материалы, чтобы сделать каких-нибудь биороботов (о, неуловимый ход восточной мысли, смешанной с модой на футуристику и бионику).

По-видимому, японцы рассчитывали на два необычных свойства своего геля: он обладает отличной смачиваемостью и умеет накапливать электростатические заряды. Это должно было помочь в сборе цветочной пыльцы — она от природы наэлектризована, и опылители собирают пыльцу на своих лапках именно за счет электростатики.

Надежды японцев оправдались. Сначала они обмазали гелем живых муравьев и показали, что такие «прокачанные» насекомые собирают в разы больше пыльцы, чем их дикие сородичи, а потом перешли к созданию искусственных пчел. Для этого ученые взяли миниатюрные дроны PXY CAM (стоят около ста долларов за штуку) и закрепили на них снизу кусочки конского волоса, пропитанные ионным гелем.

Дроны отлично справились с опылением лилии L. japonicum, и теперь исследователи надеются, что их биороботы смогут подменить настоящих пчел, популяция которых в последнее время неуклонно убывает.

Фото: B@rberousse / Flickr

Фото: B@rberousse / Flickr

Шведские ученые превратили розы R. floribunda в живые суперкондесаторы. Ранее в 2015 году они уже показали, что если накачать стебель розы водным раствором электропроводящего полимера, то прямо внутри цветка можно получить органические транзисторы и собрать из них простейшую электронную схему.

Теперь исследователи немного поменяли свой подход. Вместо длинного полимера PEDOT-S (молекулы, состоящей из сотен и тысяч одинаковых повторяющихся звеньев) они растворяли в воде схожей природы олигомер ETE-S (молекулу поменьше и покороче — всего, например, из десяти повторяющихся звеньев). Олигомеры в силу своих размеров не склонны образовывать комки из молекулярных агрегатов, и поэтому им было гораздо проще подниматься вместе с влагой по растению. В результате раствором электропроводящих олигомеров пропитались не только стебли розы, как в прошлом эксперименте с полимерами, но также цветы и листья.

Дальше шведам нужно было прямо в розе олигомеры полимеризовать, то есть сшить в длинные молекулы. И здесь началась незапланированная магия: сначала ученые пытались провести полимеризацию олигомера «в пробирке», без всяких роз, и там реакция шла не очень хорошо, но попадание олигомера внутрь растения спровоцировало у него иммунный ответ — выделение специфических веществ, которые неожиданно стали катализаторами для реакции полимеризации олигомеров.

В результате растения заполнились идеальными полимерными «проводами» с электропроводностью на уровне 1000 См/м — это скромное значение по сравнению, например, с электропроводностью алюминия, который часто используют для бытовой проводки (38 000 000 См/м), но очень достойные цифры для органических полупроводников (в прошлых работах шведов проводимость полимерных каналов внутри роз была в сотни раз меньше).

Вдохновленные такими результатами, ученые решили собрать внутри розы нечто вроде суперконденсатора — устройства, хранящего электричество за счет поляризации электролита. Для этого они подвели к двум более-менее параллельным прожилкам пропитанного полимером стебля золотые контакты и подали на них напряжение. В результате электролит — водные растворы различных солей, в избытке заполняющий межклеточное пространство растений, зарядился до максимальной емкости в 73 мкФ.

Ученые утверждают, что такой емкости вполне хватит для питания самой разнообразной полимерной электроники, которую можно имплантировать в несчастные цветы, и мечтают, что когда-нибудь их подход поможет создать управляемые с компьютера растения-киборги или миниатюрные фабрики по производству энергии.

Фото: Perfect Zero / Flickr

Фото: Perfect Zero / Flickr

Ученые из MIT вместе с американскими и шведскими коллегами тоже озаботились питанием имплантируемой электроники. За последние годы они сделали несколько хороших медицинских сенсоров для «принятия внутрь» — капсул, которые после попадания в организм могут несколько дней фиксировать кровяное давление или, например, сердцебиение, а потом либо перевариваются, либо безболезненно выводятся из тела.

Однако все прошлые подобные устройства страдали одним большим недостатком: для работы они использовали миниатюрные батарейки, очень дорогие и опасные для организма. В новом исследовании им нашли замену — теперь ученые сделали съедобные батарейки, работающие от желудочного сока.

Принцип их работы напоминает гальванические элементы, работающие на картофеле или лимоне. Возьмем медную проволоку (это будет положительный электрод, катод), оцинкованный гвоздь (это отрицательный электрод, анод) и воткнем их в сочный лимон, чтобы получилась электрическая цепь: на катоде будут самопроизвольно окисляться цинк и выделяться электроны, которые через внешнюю нагрузку (например, лампочку) будут прибегать к катоду, чтобы там соединиться с протонами H+ лимонной кислоты, а замыкать эту цепочку будут токи ионов через лимонный сок (это электролит нашего гальванического элемента).

Примерно так же работает и новая батарейка, но в качестве электролита она использует не лимонную кислоту, а желудочный сок. Ученые запитали от такой батарейки, выдающей напряжение до 0,2 В, миниатюрный температурный сенсор, а также модуль для беспроводной передачи данных и заключили всю схему в проницаемую по протонам капсулу длиной 40 миллиметров и диаметром 12 миллиметров.

Потом капсулу скормили свинье, и она шесть дней путешествовала по желудочно-кишечному тракту животного, исправно передавая данные о температуре. При этом в желудке свиньи, где кислотность достаточно высокая, мощности батарейки хватало на то, чтобы выходить на связь каждые 12 секунд, а в тонком кишечнике, где гораздо более нейтральная среда, частота передачи сигнала упала почти в сто раз.

В любом случае такая батарейка на желудочном соке — настоящий рекорд, потому что все прошлые аналоги работали не дольше нескольких минут. Теперь ученые надеются всячески оптимизировать свою разработку — уменьшить размеры, увеличить выдаваемое напряжение, повысить время работы — и продолжить испытания таких сенсоров для непрерывной медицинской диагностики in vivo.

Фото: theilr / Flickr

Фото: theilr / Flickr

Наши мозги — самые эффективные компьютеры на Земле. Они не только неплохо справляются с самыми разными задачами, что теперь под силу и алгоритмам нейронных сетей, но умеют это делать максимально эффективно, то есть с минимальными затратами энергии. Тут нейронные сети явно проигрывают природным вычислителям: серверы, прогоняющие их алгоритмы, все так же требуют для своей работы колоссального объема энергии.

Поэтому ученые пытаются повторить вычисления наших нейронов не с помощью имитационных алгоритмов, а по-настоящему — в железе. Так, в этом месяце ученые из США, Бразилии, Мексики и Голландии создали искусственные синапсы на основе проводящих полимеров.

Для этого они взяли две пленки из полимерных композитов, разделенных водным электролитом. Одна из пленок была пресинаптической цепью (то есть отвечала за нейрон, передающий сигнал), а другая — постсинаптической (отвечала за нейрон, принимающий сигнал). Когда к пресинаптической пленке прикладывали небольшое напряжение в несколько милливольт, по электролиту в сторону другой пленки начинали перемещаться протоны (аналоги нейромедиаторов в настоящих синапсах), запускавшие там серию реакций, которые в конце концов приводили к изменению проводимости другой пластины.

В результате эта система действительно напоминала искусственный синапс: во-первых, она умела передавать возбуждающий сигнал с одного «нейрона» на «другой». Во-вторых, обладала эффектом памяти: чем чаще возбуждали пресинаптическую цепь, тем больше менялась проводимость постсинаптической цепи. И, в-третьих, ее вычисления были уже гораздо ближе по эффективности к природным: на один акт передачи сигнала в таком синапсе затрачивалось не больше 10 пДж энергии (в природных синапсах на одну передачу уходит до 0,1 пДж).

Ученые сделали только один искусственный синапс, но зато они провели на нем столько измерений (более 15 000), что потом даже построили модель вычисляющей сети из нескольких таких устройств. В результате они показали, что сеть таких синапсов верно бы справлялась с задачей распознавания цифр от 0 до 9 в 93—97% случаев.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы