Lipiec 2019

Stworzono zrobotyzowaną soczewkę kontaktową, która może być kontrolowana przez ruchy gałki ocznej

Naukowcy stworzyli zrobotyzowaną soczewkę kontaktową, która może być kontrolowana przez niewielkie ruchy oczu. Soczewka jest wyposażona w zoom, a mrugnięcia mogą aktywować przybliżanie oraz oddalanie widoku.

Soczewki wychwytują naturalne sygnały elektryczne w ludzkiej gałce ocznej, które są aktywne nawet wtedy, gdy oko jest zamknięte. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego wykorzystali te ładunki do sterowania obiektywem. Badacze zmierzyli potencjał elektryczny oka, zwany sygnałem elektrookulograficznym, a następnie wykonali soczewki, które reagowałyby na tę aktywność.

Soczewka jest wykonana z polimerów, które rozszerzają się po kontakcie z elektrycznością. Kontroluje się ją za pomocą pięciu elektrod otaczających oko, które działają jak mięśnie. Gdy polimer staje się bardziej wypukły, soczewka przybliża widok. Oznacza to, że mrugnięcia lub ruchy gałki ocznej mogą sterować funkcjami soczewki.

„Opracowany system może zostać wykorzystany w protezach oczu, soczewkach korekcyjnych, a także w robotyce.” – napisali autorzy soczewki w artykule opublikowanym w Advanced Functional Materials.

Naukowcy mają nadzieję, że już niebawem technologia będzie mogła zostać użyta w protezach lub kamerach, które można kontrolować wyłącznie za pomocą oka.

 

 


Nowatorska proteza ręki może pozwolić na odczuwanie dotyku

Robotyczne ramię nazwane na cześć bohatera Gwiezdnych Wojen – Luke’a Skywalkera – może pozwolić na odczuwanie dotyku. Proteza została zaprojektowana do wykonywania skomplikowanych ruchów, lecz również naśladuje sposób, w jaki mózg i ręka wysyłają sobie sygnały, pozwalając na odczuwanie bodźców.

Nerwy, które pozwalają kontrolować rękę i wysyłać wiadomości do mózgu, istnieją nawet po amputacji kończyny. Dzięki wszczepieniu 100 mikroelektrod w niektóre z nerwów, zespół badawczy z University of Utah stworzył protezę, która pozwala na odczuwanie dotyku.

 

Bioniczne zakończenia nerwowe pozwalają na imitowanie bodźców czuciowych, które działają nawet przy zamkniętych oczach. Osoba z robotyczną protezą będzie mogła określić jaki przedmiot trzyma w ręku, ze względu na jego cechy. Na przykład, osoba z zasłoniętymi oczami będzie mogła rozpoznać, że trzyma w ręku jajko, z którym trzeba obchodzić się delikatnie.

Obecnie istnieją protezy kończyn, które mogą przekształcić sygnały mózgu w odpowiedni ruch, jednak zazwyczaj nadal potrzeba wizualnego rozpoznania przedmiotu, by wiedzieć jak się z nim obchodzić.

 

W przyszłości naukowcy mają nadzieję stworzyć bezprzewodową wersję urządzenia, które będzie można wszczepić do ciała i bezpośrednio połączyć z nerwami. Jak dotąd ramię LUKE może być używane tylko w laboratorium pod nadzorem inżynierów, a chirurgicznie wszczepione mikroelektrody zostały usunięte po zakończeniu badań. Szczegółowy opis projektu został opublikowane w czasopiśmie Science Robotics.


Zaskakujące odkrycie geologów. Jądro Ziemi przecieka od 2,5 miliarda lat

Najnowsze odkrycie pozwala rozstrzygnąć debatę, którą toczono od dziesięcioleci. Naukowcy zastanawiali się, czy jądro i płaszcz ziemski wymieniają między sobą materiał. Badania wreszcie potwierdziły, że najbardziej wewnętrzna część naszej planety przecieka, tj. przekazuje część swojej zawartości do pióropuszy płaszcza, a część tego materiału przedostaje się jeszcze dalej, aż do powierzchni Ziemi.

 

Odkrycia dokonała Hanika Rizo z Uniwersytetu Carletona i jej zespół. Geolodzy wykorzystali wolfram, którego spore ilości można znaleźć w rdzeniu Ziemi. Obecne są tam również izotopy W-182 z 108 neutronami oraz W-184 z 110 neutronami. Podczas badań, zespół doszedł do wniosku, że izotopy te mogą pomóc rozwiązać kwestię przeciekającego rdzenia Ziemi.

 

Pomocny okazał się również hafn, który jest litofilem i można go odnaleźć w bogatym w krzemian płaszczu Ziemi. Izotop hafnu Hf-182 posiada okres półtrwania równy 8,9 miliona lat i rozpada się na W-182. Oznacza to, że płaszcz powinien zawierać większe ilości W-182 niż rdzeń, a zatem stosunek izotopów W-182 i W-184 w bazaltach wysp oceanicznych mógłby wskazać na wymianę chemiczną pomiędzy rdzeniem a źródłem pióropuszy płaszcza.

 

Jednak różnica w wolframie byłaby niezwykle mała i tylko kilka laboratoriów na całym świecie mogłoby wykonać taką analizę. Co więcej, rdzeń rozpoczyna się na głębokości około 2 900 km, więc zbadanie go jest niemożliwe. Dlatego naukowcy poddali analizie skały z kratonu Pilbara w zachodniej Australii oraz z wyspy Reunion i archipelagu Wysp Kerguelena w Oceanie Indyjskim. Skały te przedostają się na powierzchnię Ziemi z głębokiego płaszcza.

Ilość wolframu, zawarta w tych skałach, ujawnia wyciek z rdzenia. Na przestrzeni całego istnienia Ziemi nastąpiła duża zmiana w stosunku izotopów W-182 i W-184. Okazało się również, że najstarsze skały na Ziemi mają wyższy stosunek W-182 i W-184 niż większość współczesnych skał.

 

Ziemia ma około 4,5 miliarda lat. Najstarsze skały płaszcza nie miały żadnych znaczących zmian w izotopach wolframu, co sugeruje, że od 4,3 miliarda do 2,7 miliarda lat temu, wymiana materiału z rdzenia do górnego płaszcza była niewielka lub zerowa. Jednak w ciągu ostatnich 2,5 miliarda lat, skład izotopu wolframu w płaszczu znacząco się zmienił.

 

Naukowcy nie mają pewności, dlaczego rdzeń zaczął przeciekać. Lecz najnowsze odkrycie może poszerzyć nasz zakres wiedzy na temat ewolucji rdzenia, a także początkach ziemskiego pola magnetycznego.

 


Nowy pomiar stałej Hubble'a wciąż nie rozwiązuje zagadki rozszerzania się Wszechświata

Naukowcy od wielu dekad próbują ustalić, z jaką szybkością rozszerza się Wszechświat. Dotychczas przeprowadzono wiele pomiarów, podczas których uzyskiwano różne wartości stałej Hubble'a. Teraz zaprezentowano kolejne obliczenia, lecz rezultat najnowszych badań znów nie jest zgody z poprzednimi pomiarami.

 

Wendy Freedman z Uniwersytetu w Chicago i jej zespół obliczyła stałą Hubble'a, posługując się czerwonymi olbrzymami. Naukowcy zmierzyli jasność tych gwiazd i na tej podstawie obliczono, że Wszechświat rozszerza się z prędkością 69,8 km/s na megaparsek.

 

Freedman miała nadzieję, że jej praca będzie łącznikiem między dwoma innymi badaniami. Niestety okazało się, że uzyskany przez nią rezultat w żaden sposób nie pomógł rozwiązać problemu. Oszacowane tempo rozszerzania się Wszechświata jest niższe od jednego badania, które skupiało się na cefeidach, oraz wyższe od drugiego badania, w którym brano pod uwagę mikrofalowe promieniowanie tła.

Z jednej strony, naukowcy otrzymali kolejny wynik, który jest niezgodny z poprzednimi, a z drugiej strony, nic nie wskazuje na to, aby współczesny model Wszechświata zawierał jakieś fundamentalne błędy. Nie wiadomo również, czy te zbieżności nie wynikają z błędnego rozumienia niektórych aspektów gwiazd. Tak czy inaczej, wciąż nie potrafimy obliczyć stałej Hubble'a.

 

Ustalenie tempa rozszerzania się Wszechświata ma istotne znaczenie dla zrozumienia jego zachowania, a także wieku i ewolucji. Naukowcy mają nadzieję, że nowy teleskop kosmiczny WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), który zostanie wysłany na orbitę w połowie lat 20., pozwoli dokładniej zmierzyć odległości ciał niebieskich i pogodzi różne wartości stałej Hubble'a.

 


Po raz pierwszy sfotografowano efekt splątania kwantowego

Fizycy z Uniwersytetu w Glasgow jako pierwsi na świecie zdołali uchwycić tajemnicze zjawisko, zwane splątaniem kwantowym. Jest to pierwszy obraz, przedstawiający interakcję cząstek, którą opisują zasady mechaniki kwantowej i która stanowi podstawę obliczeń kwantowych.

 

Splątanie kwantowe to dziwne zjawisko, które występuje, gdy dwie cząstki są ze sobą nierozerwalnie związane. Jakakolwiek zmiana zachodząca w jednej cząstce automatycznie dotyka drugą – bez względu na to, jak daleko są od siebie.

 

Naukowcy badają to zjawisko i próbują je również wykorzystać np. w telekomunikacji i informatyce kwantowej. Jednak teraz, po raz pierwszy udało się wykonać zdjęcie splątanych kwantowo cząstek, które na krótką chwilę dzieliły się stanami fizycznymi.

Źródło: Moreau et al., Science Advances, 2019

Szkoccy fizycy opracowali system, który wystrzeliwuje splątane fotony. Zespół najpierw rozdzielił splątane cząstki światła, po czym jedną wiązkę fotonów przepuszczał przez materiał ciekłokrystaliczny, wyzwalając cztery przejścia fazowe. W tym samym czasie, badacze uchwycili zdjęcia splątanych par fotonów, przechodzących przez te same przejścia fazowe, choć nie były przepuszczane przez materiał ciekłokrystaliczny. Zachowanie cząstek zostało uchwycone przez kamerę.

 

Naukowcy nie traktują tej obserwacji wyłącznie jako ciekawostki. Szkocki zespół zakłada, że wyniki tego eksperymentu pozwolą opracować nowe schematy obrazowania kwantowego, na czym skorzysta informatyka kwantowa.

 


Naukowcy przekształcili dwutlenek węgla w grafen

Dwutlenek węgla zwykle postrzegany jest jako gaz cieplarniany, a naukowcy opracowują metody pozyskiwania go z atmosfery celem jego składowania w podziemnych magazynach. Jednak dwutlenek węgla można też wykorzystać do produkcji pewnych materiałów. Zespół z Instytutu Technologii w Karlsruhe zademonstrował proces, który pozwala przekształcić ten gaz w grafen.

 

Obecnie posiadamy do swojej dyspozycji różne metody wytwarzania grafenu. Ten rewolucyjny materiał można wykonać np. z oleju sojowego, drewna, a nawet z liści eukaliptusa. Jednak najczęściej stosowana metoda produkcji grafenu to tzw. chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). Polega ona na wprowadzaniu do komory reakcyjnej gazowych substratów, a umieszczona w niej cienka warstwa materiału działa jako katalizator i substrat. Gaz w tej komorze wchodzi w reakcję chemiczną z materiałem i wytwarza na jego powierzchni cienką warstwę grafenu.

Naukowcy z Instytutu Technologii w Karlsruhe opracowali niemal identyczną metodę, która jednak polega na wprowadzeniu do komory dwutlenku węgla wraz z wodorem, a katalizatorem i substratem jest cienka płytka, wykonana z miedzi i palladu. Grafen powstaje przy wysokiej temperaturze 1000 stopni Celsjusza i ciśnieniu atmosferycznemu.

Źródło: Instytut Technologii w Karlsruhe

Jeśli płytka zawiera odpowiednie proporcje miedzi i palladu, grafen powstaje w prostym i jednoetapowym procesie. Opracowana metoda pozwala produkować wiele warstw grafenu jednocześnie. Okazuje się więc, że dwutlenek węgla może posłużyć do masowej produkcji „cudownego materiału”. W ramach kolejnego etapu badań, naukowcy będą chcieli wykorzystać wykonany w ten sposób grafen do produkcji komponentów elektronicznych.

 


Nowa metoda pozwala znacząco zwiększyć wydajność krzemowych paneli słonecznych

Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne posiadają wyznaczoną absolutną granicę wydajności konwersji światła słonecznego w energię elektryczną, ponieważ każdy foton może wytrącić tylko jeden elektron. Jednak naukowcy opracowali i zademonstrowali nową metodę, która pozwala uzyskiwać wysokoenergetyczne fotony, zdolne wytrącać po dwa elektrony, co z kolei przekłada się na zwiększenie maksymalnej wydajności ogniw.

 

Maksymalna teoretyczna wydajność konwencjonalnych paneli słonecznych wynosi około 29,1%. Naukowcy z Instytutu Technologicznego Massachusetts oraz inne zespoły badawcze na przestrzeni ostatnich lat pracowały nad metodą, która pozwala przekroczyć tę granicę o kilka punktów procentowych.

 

Wstępna demonstracja tej metody zakończyła się powodzeniem, lecz dokonano jej na organicznych ogniwach fotowoltaicznych, które są znacznie mniej wydajne od jej krzemowych odpowiedników. Zastosowanie jej na konwencjonalnych ogniwach słonecznych wymagało wielu lat ciężkiej pracy.

 

Rozdzielenie energii jednego fotonu na dwa elektrony było możliwe dzięki zastosowaniu klasy materiałów, które posiadają stany wzbudzone, zwane ekscytonami. Można je wykorzystać do zmiany energii „przecinając ją” lub łączyć mniejsze części energii w całość. Proces ten pozwala zatem podzielić fotony na dwie niezależnie poruszające się wiązki energii.

Naukowcy mieli jednak problem z połączeniem tej energii z krzemem, który nie jest materiałem ekscytonowym. Dlatego próbowano połączyć energię z warstwy ekscytonowej z kropkami kwantowymi. Okazało się, że dla transferów energii istotna jest chemia powierzchni materiału, a nie jego objętość.

 

Dodanie cienkiej warstwy pośredniej, wykonanej z tlenkoazotku hafnu, pomiędzy krzemowym ogniwem słonecznym a warstwą naftacenu o właściwościach ekscytonowych rozwiązało problem. Dzięki niej, pojedyncze wysokoenergetyczne fotony mogły uwalniać dwa elektrony wewnątrz krzemowego ogniwa. Proces ten pozwolił zwiększyć maksymalną teoretyczną wydajność krzemowych paneli fotowoltaicznych z 29,1% do nawet 35%.

 

Naukowcy wykazali, że połączenie dwóch materiałów dla zwiększenia wydajności jest możliwe. Jednak teraz, badacze muszą jeszcze skupić się na optymalizacji ogniw krzemowych i zwiększeniu trwałości zastosowanych materiałów. Nowe panele słoneczne mogą być również cieńsze od dostępnych obecnie wersji. Innowacja znajdzie komercyjne zastosowanie w ciągu kilku lat.

 


Chiny planują zbudować własny Wielki Zderzacz Hadronów

Chiny zamierzają zbudować własny zderzacz elektronowo-pozytonowy długości 100 km, który przyćmi europejski obiekt. Olbrzymi podziemny zderzacz jest przeznaczony do zderzania protonów z prędkością bliską prędkości światła i rozbijania ich razem w celu masowej produkcji bozonów Higgsa, które następnie posłużą do badań.

Bozon Higgsa, zwany także „cząstką Boga”, jest ostateczną granicą fizyki cząstek elementarnych. Znaczenie cząstki elementarnej polega na tym, że można ją zbadać przy użyciu istniejącej wiedzy i technologii eksperymentalnej jako środka do potwierdzenia i zbadania całej teorii pola Higgsa.

 

Różne cząstki subatomowe są odpowiedzialne za nadawanie materii różnych właściwości. Jedną z najbardziej tajemniczych i ważnych właściwości jest masa: niektóre cząstki, takie jak protony i neutrony, mają masę, podczas gdy inne, jak fotony, nie. Uważa się, że bozon Higgsa jest cząstką, która nadaje masę materii.

Nieuchwytne „cząstki Boga” zostały po raz pierwszy zauważone w 2012 r. Cząstki otrzymano za pomocą zderzeń atomów, które miały miejsce wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów, znajdującego się 175 metrów pod francusko-szwajcarską granicą w pobliżu Genewy. Zderzacz to tunel kołowy o długości 27 kilometrów, co czyni go największym tego typu obiektem na świecie. Jego obsługą zajmuje się  Organizacja Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN).

 

Teraz Chiny zamierzają zbudować następną generację Wielkiego Zderzacza Hadronów o długości 100 km, który przyćmi europejski obiekt. Olbrzymi podziemny zderzacz jest przeznaczony do wyrzucania protonów z prędkością bliską prędkości światła i rozbijania ich razem w celu masowej produkcji bozonów Higgsa.

Chińska propozycja finansowania została przedłożona rządowi centralnemu w listopadzie, po tym jak Beijing Institute of High Energy Physics sfinalizował szczegółowy projekt zderzacza. Pierwszy komponent ma zostać zainstalowany od 2022 roku. Do tej pory zaproponowano kilka miejsc do budowy zderzacza, w tym Qinhuangdao w prowincji Hebei niedaleko Pekinu, Yan’an w prowincji Shaanxi i Shanwei w południowej prowincji Guangdong.

 

Reszta świata nie pozostaje bierna w swoich działaniach. Japonia planuje zbudować własny zderzacz po zapoznaniu się z planem Chin, choć kontrowersje budzi fakt, że proponowana lokalizacja znajduje się w strefie aktywnej sejsmicznie. Oprócz tego, CERN opracowuje plany dwóch nowych zderzaczy cząstek.

 

 


Sztuczna inteligencja stworzyła kompleksową symulację Wszechświata, a naukowcy nie rozumieją zasady jej działania

Astrofizycy po raz pierwszy wykorzystali możliwości, jakie oferuje sztuczna inteligencja do wygenerowania złożonej trójwymiarowej symulacji Wszechświata. Okazało się, że algorytm stworzył tak dokładną symulację, że naukowcy nie potrafią do końca zrozumieć jej działania.

 

Symulacje komputerowe mają istotne znaczenie dla astrofizyki teoretycznej. Dzięki nim, badacze mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób kosmos mógłby ewoluować w różnych scenariuszach, gdyby np. ciemna energia zmieniała się w czasie.

 

Najbardziej dokładne symulacje obliczają, w jaki sposób grawitacja przesuwa każdą z miliardów pojedynczych cząstek na przestrzeni całego istnienia Wszechświata. Taki poziom dokładności wymaga jednak czasu – na wykonanie jednej symulacji potrzeba około 300 godzin obliczeniowych. Szybsze metody pozwalają ukończyć te same symulacje już w ciągu około dwóch minut, lecz odbywa się to kosztem mniejszej dokładności.

 

Zespół pod kierownictwem Siyu He z Instytutu Flatiron skorzystał z modelu Deep Density Displacement Model (D3M). Naukowcy udoskonalili głęboką sieć neuronową, o którą opiera się model D3M, dostarczając jej 8 tysięcy różnych symulacji z modelu komputerowego, cechującego się najwyższą dokładnością. Sieci neuronowe pobierają dane do treningu i przeprowadzają obliczenia na podstawie dostępnych informacji. Następnie naukowcy porównują wynik końcowy z oczekiwanym wynikiem. Dalsze szkolenie powoduje, że sieci neuronowe z czasem dostosowują się do szybszego uzyskiwania precyzyjniejszych wyników.

Po przeszkoleniu modelu D3M, naukowcy wykorzystali go do symulacji Wszechświata o szerokości 600 milionów lat świetlnych, a następnie porównali rezultaty z wynikami, które wygenerowały powolne i szybkie modele. Powolne i dokładne podejście potrzebowało setek godzin na wykonanie symulacji, natomiast szybka metoda przyniosła efekty już w ciągu kilku minut. Tymczasem wyniki dostarczone przez model D3M, oparty o sztuczną inteligencję, przerosły wszelkie oczekiwania.

 

Naukowcy z zaskoczeniem odkryli, że model D3M ukończył symulację w zaledwie 30 milisekund przy błędzie względnym na poziomie 2,8%. Dla porównania, szybki model, który potrzebował kilku minut na wykonanie symulacji Wszechświata, uzyskał błąd względny na poziomie aż 9,3%. Jednak największym zaskoczeniem był fakt, że model D3M potrafił dokładnie symulować wygląd Wszechświata w sytuacji, gdy jego niektóre parametry uległy zmianie, choć algorytm nie został nawet do tego wyszkolony.

 

Dlatego naukowcy sami przyznają, że nie rozumieją do końca zasady działania kompleksowej symulacji Wszechświata, jaką wykonał model D3M. Wiadomo jednak, że sztuczna inteligencja może okazać się niezwykle przydatna w astrofizyce teoretycznej i z pewnością wyniesie badania na jeszcze wyższy poziom.

 


Internet dosłownie zmienia strukturę i funkcjonowanie naszego mózgu

Wszystkie czynności, jakie człowiek wykonuje w całym swoim życiu, wpływają na funkcjonowanie jego mózgu, a zmiany te przekazywane są następnym pokoleniom. Liczenie w pamięci, nauka języków obcych czy orientacji w terenie korzystnie wpływają na rozwój mózgu. Jednak w dzisiejszych czasach, ludzie dla własnej wygody, a często również z lenistwa, wolą korzystać z elektroniki. Internet, który jest dziś niemal wszechobecny, zastępuje biblioteki i prasę papierową, a nawet tradycyjną komunikację międzyludzką. W jaki sposób może to wpływać na strukturę i funkcjonowanie mózgu?

 

Międzynarodowy zespół naukowców dokonał przeglądu wielu badań, podczas których obrazowano mózgi ochotników. W ten sposób próbowano ocenić, w jaki sposób korzystanie z internetu może wpływać na ludzkie mózgi. Choć wyniki tej analizy nie mogą być traktowane jako rozstrzygające, przeprowadzone studia sugerują, że życie z internetem zmienia obszary mózgu, związane z koncentracją, pamięcią i umiejętnościami społecznymi.

 

Jedno z badań wykazało, że ludzie, którzy kompulsywnie sprawdzają wiadomości i inne powiadomienia na swoich telefonach, mają zmniejszoną objętość istoty szarej w niektórych obszarach kory przedczołowej. Region ten odpowiada między innymi za koncentrację i skupianie uwagi. Oznacza to, że osoby te zwykle gorzej wykonują zadania wymagające koncentracji.

 

Wraz z powstaniem przeglądarek internetowych zaczęły pojawiać się spekulacje, że ludzie będą zbyt mocno polegać na internecie jako źródle informacji, tym samym ograniczając pojemność swojej pamięci wewnętrznej. Przeprowadzone badania wykazały, że ludziom faktycznie trudniej jest przypomnieć sobie informacje, które znaleźli w internecie, w porównaniu do encyklopedii. Skany mózgu wykazały, że efekt ten był skorelowany ze zmniejszoną aktywnością w strumieniu brzusznym – systemie odpowiadającym za pobieranie danych z pamięci - podczas zbierania informacji w internecie. Sugeruje to, że uczenie się z internetu nie aktywuje w wystarczającym stopniu kluczowych obszarów mózgu, wymaganych do przechowywania pamięci długoterminowej.

Portale społecznościowe również znacząco wpływają na nasze mózgi. Jedno z przeanalizowanych badań wykazało, że ilość znajomych, jaką dana osoba posiada na Facebooku, określa objętość istoty szarej w prawej korze śródwęchowej, która związana jest z możliwością kojarzenia imion oraz twarzy. Efekt ten może być spowodowany faktem, że media społecznościowe zachęcają ludzi do utrzymywania dużych ilości słabych powiązań społecznych. Jeszcze przed pojawieniem się portali społecznościowych, ludzie mieli tendencję do zgłębiania relacji z mniejszą ilością osób, co wymagało różnych adaptacji w regionach społecznych mózgu.

 

Wyniki badań nie są zbyt szczegółowe i nie mogą być postrzegane jako rozstrzygające. Zatem wciąż tak naprawdę nie wiemy, czy internet ma dobry, czy może zły wpływ na rozwój naszego mózgu. Internet z całą pewnością w jakimś stopniu oddziałuje na funkcjonowanie mózgu, a zachowanie umiaru może uchronić nas przed negatywnymi konsekwencjami korzystania z sieci.