Technologia

Nowinki techniczne

Numer 2/2018

Proteza i ultradźwięki

Miłośnicy serii „Gwiezdne wojny” zapewne pamiętają pojedynek Luke’a Skywalkera z Darthem Vaderem, w którym ten pierwszy stracił dłoń. Na szczęście pomogła mu technologia – otrzymał cybernetyczną protezę, dzięki której mógł dalej walczyć. Oczywiście to tylko film, ale dziś jest już szansa, aby zrealizować podobne pomysły.

Prof. Gil Weinberg z Georgia Institute of Technology jest z wykształcenia muzykiem oraz twórcą innowacyjnych instrumentów i robotów. Tym razem podjął się jednak innego wyzwania – stworzenia protezy ręki dla jednego ze swoich współpracowników, 28-letniego muzyka, który stracił dłoń wskutek wypadku. Wykorzystał fakt, że gdy pacjent chce poruszyć nieistniejącymi palcami, napinają się mięśnie w jego przedramieniu. Dotychczas mioelektryczne sygnały wychwytywano w takich przypadkach elektrodami umieszczonymi na powierzchni skóry. Są one jednak zbyt zaszumione – aktywność elektryczna może być taka sama pomimo chęci poruszania różnymi palcami. Do wykrywania ruchów mięśni wykorzystano więc głowicę ultradźwiękową, zbliżoną do stosowanych w medycznej aparaturze USG, i sztuczną inteligencję (deep learning), której zadaniem była obróbka sygnałów. Okazało się to strzałem w dziesiątkę. Muzyk po pięciu latach przerwy ponownie zagrał prostą melodię na keyboardzie. Wszystko dzięki poruszaniu każdym palcem z osobna. Spektakularne efekty pracy zespołu można zobaczyć na filmie: https://youtu.be/HjW1kIt5iQg.

Widzieć przez ścianę

Urządzenia do wykrywania tego, co jest za ścianą, przez lata widywaliśmy głównie w filmach, np. o Bondzie. Tajny agent przykładał niewielki skaner do muru i na ekranie śledził precyzyjny obraz tego, co znajduje się po drugiej stronie przeszkody. Takie zastosowanie skanera jest oczywiście możliwe, tylko potrzebne są do tego np. promieniowanie gamma (tak działa defektoskopia) oraz specjalistyczne urządzenie o olbrzymich rozmiarach.

Żeby obejść to ograniczenie, zespół naukowców z Duke University w Karolinie Północnej rozpoczął badania nad wykorzystaniem promieniowania mikrofalowego, podobnego do tego, którego używa się do podgrzewania potraw. Specjaliści opracowali algorytm do analizowania, jak poszczególne obiekty odbijają takie promieniowanie. Dzięki temu możliwe było skonstruowanie skanera operującego na jednej konkretnej częstotliwości. Okazało się to idealnym pomysłem. Oczyszczenie danych z wszelkich szumów i interferencji pozwoliło na bezproblemowe obrazowanie obiektów znajdujących się po drugiej stronie ściany, ale też np. lokalizację przewodów elektrycznych biegnących w samym murze. W przeciwieństwie do wcześniejszych modeli skanerów ten nowy można wykorzystać nawet wtedy, gdy nie wiemy, z jakiego materiału wzniesiono ścianę. Twórcy mają nadzieję, że niebawem wprowadzą swój system na rynek po rozsądnej cenie.

Świecące rośliny zamiast lamp

Niedawno słyszeliśmy o stworzeniu modyfikowanego nanorurkami szpinaku, który wykrywa materiały wybuchowe i potrafi tę informację przekazać zdalnie. Tym razem naukowcy z MIT wzięli na warsztat inną roślinę – rukiew wodną – i postanowili zmusić ją do świecenia. W tym celu posłużyli się lucyferyną, który sprawia, że znane wszystkim świetliki świętojańskie emitują światło. Sam pigment jednak nie wystarcza, niezbędny jest tu też m.in. enzym o nazwie lucyferaza.

Lucyferazę umieszczono w kwarcowych nanocząstkach o średnicy 10 nm, a lucyferynę – w nieco większych nośnikach polimerowych. Składniki te wprowadzono do rośliny z roztworu, poddając całość działaniu ciśnienia. Nośnik polimerowy powoli uwalniał potem lucyferynę, generującą pod wpływem lucyferazy zielonkawe światło. Na razie stworzone rośliny świecą przez 3,5 godz. i to dość słabo. Naukowcy sądzą jednak, że tak zoptymalizują warunki, aby dało się bez problemu przy rukwi np. czytać w nocy książkę.

Nicień steruje robotem

Od dawna staramy się rozgryźć sposób funkcjonowania układu nerwowego. Naukowcy próbują nawet stworzyć jego elektroniczny odpowiednik, bazując na razie na mało skomplikowanych sieciach neuronalnych. Stąd wziął się projekt OpenWorm, czyli wirtualny układ nerwowy wzorowany 1:1 na żywym organizmie. Do jego budowy wybrano prostego nicienia Caenorhabditis elegans, który ma zaledwie 302 neurony. Badacze najpierw stworzyli tzw. konektom, czyli pełną mapę połączeń między tymi komórkami, a potem przetworzyli go na odpowiednie oprogramowanie.

Ciąg dalszy wyglądał nieco jak zabawa – z klocków Lego zbudowano robota, którego elementy (w tym także wszystkie czujniki) są sprzężone z odpowiednimi fragmentami wirtualnego układu nerwowego. Oprogramowanie robota reaguje na bodźce zewnętrzne, takie jak zbliżanie się do przeszkody czy do pożywienia. Co ważne, do oprogramowania OpenWorm nie wprowadzono żadnych „sztucznych” poleceń wskazujących, jak robot ma reagować. Tak więc to konektom, a nie sam program powoduje wykonywanie konkretnych czynności. Działanie robaka robota można zobaczyć na filmie: https://youtu.be/YWQnzylhgHc.

Bezsoczewkowa kamera z obrazem 3D

Tworzenie obrazów trójwymiarowych to coraz częściej nieodłączna część prac badawczych. Uzyskanie dobrego obrazu 3D wymaga zazwyczaj skanowania odwzorowywanego obiektu – tak postępuje się choćby w przypadku tomografii komputerowej czy rezonansu magnetycznego. Proces ten jest jednak żmudny, wymaga czasu oraz skomplikowanej aparatury.

DiffuserCam – nowe urządzenie skonstruowane przez zespół z University of California – działa na zasadzie rejestracji tzw. pola świetlnego (light field). Kamery tego typu mają sensory, które zbierają informacje o jasności i barwie światła, a także z jakiego kierunku ono dochodzi. Dzięki temu nie trzeba stosować soczewek. Urządzenia takie można już kupić, ale w tym przypadku nowością jest użycie prostego dyfuzora (stąd nazwa) i złożonego algorytmu, pozwalających na stworzenie wyjątkowo precyzyjnego obrazu w trójwymiarze. Co ciekawe, do tego, aby system działał dobrze, wystarczy tylko jedna kalibracja.

Naukowcy planują wykorzystanie stworzonej przez siebie kamery do obserwacji w czasie rzeczywistym miliona (!) neuronów myszy, z których tysiąc będzie pobudzanych. Pozwoli to na stworzenie modelu do badań aktywności mózgu. Docelowo urządzenie prawdopodobnie będzie można montować np. w autonomicznych samochodach, w których uzyskiwanie precyzyjnego i szybko przetwarzanego obrazu 3D jest sprawą kluczową.

Sztuczna ryba wykryje antybiotyki

Poruszające się pod wodą roboty służą do rozmaitych zadań – począwszy od śledzenia zwierząt, przez tropienie okrętów podwodnych, a na modelowaniu zachowań stadnych, takich jak ruch ławic, skończywszy. Coraz częściej też w urządzeniach tych montuje się aparaturę pomiarową.

Również zespół naukowców z Michigan State University rozpoczyna ciekawe badania podwodne, w których będzie wykorzystywać roboty. Mają one wykrywać w wodzie ślady antybiotyków, bo od dłuższego czasu wiadomo, że rosnący poziom tych związków w środowisku powoli, ale systematycznie przekłada się na coraz większą oporność bakterii. Roboty te kształtem przypominają ryby i będą autonomicznie patrolować jeziora stanu Michigan. Pozwoli to na stworzenie map zanieczyszczeń, identyfikację potencjalnych zagrożeń i opracowanie metod walki z nimi.

Nie są to jedyne roboty służące ochronie środowiska. Robot orka monitoruje stan wody w jednym ze zbiorników w Tybecie, a w Singapurze podobną funkcję pełni robot łabędź.

01.02.2018 Numer 2/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama