Новости науки и техники: нанотехнологии

Новости науки и техники

Компьютерный звук рисует для слепых картину местности.

Слух хотя бы отчасти восполняет инвалидам отсутствие зрения, но он не может поведать им о наличии перед самым носом фонарного столба. Между тем системы машинного зрения без труда воспринимают окружающий мир.

Неудивительно, что на их основе учёные пытаются создать искусственное зрение. Только как всё же лучше донести до слепого человека то, что видит машина?

Свой ответ на этот вопрос даёт проект "Когнитивная вспомогательная система для слепых людей" (Cognitive Aid System for Blind People - CASBLiP), в котором принимают участие семь университетов, компаний и организаций из Великобритании, Испании, Италии и Германии. Координирует и ведёт их совместную работу Исследовательский центр графических технологий политехнического университета Валенсии (Centro de Investigación en Tecnologías Gráficas), где и базируется этот проект.

Какими вариантами помощи слепым располагает современная техника? Можно предложить человеку усовершенствованную трость с ультразвуковой, лазерной или видеолокацией.

Но подобные устройства всё равно не дают полной картины мира - кибертрости просто попискивают предупреждающими сигналами при появлении опасного объекта в непосредственной близи от владельца.

Между тем, рассудили авторы CASBLiP, направление мысли было верным: нужно полагаться на то, что у слепого пациента развито лучше всего - его способность воспринимать звуки, исходящие от предметов (машин, листвы деревьев, шагов прохожих), и хорошо определять направление и удаление источника.

Можно попробовать вернуть слепому человеку зрительные ощущения тем или иным способом. Но всяческие "усилители глаз" и сетчатки-имплантаты - отдельная большая тема. А если не вмешиваться в организм пациента? CASBLiP предлагает носимый прибор, несложный в применении (фотографии CASBLiP). Только вот в обычных условиях звуков не хватает. Во всяком случае - для того чтобы спокойно ходить по городу без белой трости, словно зрячий человек. Но, может, тогда добавить звук синтетический, чтобы "заговорили" и фонарные столбы, и проёмы дверей, и прочие предметы?

Три года работы (на средства Евросоюза, заметим) не прошли даром. Партнёры построили два устройства, каждое из которых может работать отдельно, но по идее их можно соединить в эффективный комплекс.

Первый аппарат называется M1. Выглядит он как чёрные очки, разве что стёкла толстоваты (в них скрыта электроника). В основе приборчика лежит лазерный сенсор, разработанный компанией Siemens. Первоначально это устройство создавалось для того, чтобы научить автомобили видеть пешеходов, перебегающих дорогу перед носом, но теперь сенсор нашёл своё призвание в иной области.

Эти очки испускают инфракрасный лазерный луч (невидимый для окружающих), который сканирует местность в пределах угла зрения в 60 градусов и на дальность в 5 метров от человека. Отражённые ИК-лучи воспринимает 64-пиксельная камера, незаметно вмонтированная всё в те же очки. По разности времени прихода сигнала в каждую часть матрицы компьютер (его приходится нести в рюкзачке) вычисляет положение близлежащих объектов.

Лазерный сенсор Siemens проверяет всю местность в пределах своего обзора по 25 раз в секунду (иллюстрация Siemens).

Далее эта информация преобразуется в стереозвук, подаваемый владельцу приборчика через наушники. Расположение препятствий по горизонтали передаётся смещением звука вправо или влево, а приближение к препятствию отражается ростом тональности сигнала либо его громкости (тут возможны варианты - лучший выбор ещё определяется).

M1 может быть вполне самостоятельным продуктом, но гораздо интереснее его сочетание со вторым прототипом под названием M2. В нём удалось совместить ряд любопытных разработок, выполненных в разных странах.

M2 представляет собой шлем, на котором закреплены две видеокамеры, генерирующие стереокартинку. Специалисты из факультета компьютерных наук университета Бристоля (Departiment of Computer Sciense) разработали мощный алгоритм обработки изображений в реальном времени, способный распознавать объекты и препятствия, такие как деревья, автобусные остановки и лавки в парке, транспортные средства, и, конечно, - прохожих.

Эта система использует стереоизображение для создания "карты глубины". Также M2 может анализировать движение объектов и предсказывать их дальнейшее перемещение.

В результате работы этой программы компьютер (опять-таки M2 требует ношения рюкзака) формирует пространственную карту окружающего мира. Причём обновляет он её 8 раз в секунду.

Британская программа по картинке с камер может определить - куда движется автомобиль и насколько он ближе к человеку, чем строения на заднем плане (иллюстрация University of Bristol).А чтобы слепой мог по ней ориентироваться, система CASBLiP применяет вторую разработку - программу, созданную в университете Лагуны (Universidad de La Laguna). Она превращает пространственную информацию в трёхмерную акустическую карту, в которой каждый объект представлен звучащей точкой.

Её громкость, тон и определяемое благодаря стереозвуку пространственное расположение помогает слепому представить окружающий мир. При этом, дабы максимально оперативно смещать звуковое поле в наушниках при повороте головы вправо и влево, шлем ещё оснащён специально разработанным в рамках проекта гироскопическим датчиком, передающим на компьютер малейшее движение головы.

Оба аппарата неоднократно испытывались слепыми людьми в самых разнообразных условиях - от стен лабораторий до реальных городских улиц. Конечно, были вопросы и замечания, но в целом все остались довольны. Обучение использованию шло быстро, и люди начинали воспринимать звуковую картину не как искусственно навязанную наушниками, а как звук, идущий непосредственно от предметов, окружающих их.

Около десятка испытателей пришли к выводу, что системы типа M1 и M2 могут оказаться полезным и удобным дополнением к другим средствам помощи. Но при этом целый ряд участников эксперимента высказал мнение, что никакая электроника не заменит старую добрую белую трость или собаку-поводыря. А одна участница, тестировавшая M1, сказала, что "подсказки" системы, накладываясь на обычные звуки внешнего мира, иной раз способны, напротив, запутать человека, нежели помочь.

Другой испытатель также отметил, что наряду с новыми информирующими звуками наушники заглушают сигналы извне, по которым слепой ориентируется обычно (например по изменению в звуке собственных шагов). И это - неудобство системы.

С другой стороны, как заметил один из испытуемых, "любое новшество, которое может повысить автономию слепого человека, - позитивно". А значит, учёные и инженеры на верном пути, пусть CASBLiP и нуждается в совершенствовании.

Один из координаторов проекта - Гильермо Перис-Фахарнес (Guillermo Peris-Fajarnés) из политехнического университета Валенсии говорит: "Предстоит выполнить ещё много работы, прежде чем эта система могла бы выйти на рынок. Прежде всего, нужно доказать, что она является на 100% надёжной. Мы не можем допустить неполадок, когда пользователь переходит дорогу". Во всяком случае техника тут окажется бесценным подарком и будет незаменимой до тех пор, пока не получат объяснения удивительные скрытые возможности человека. К примеру, умение некоторых слепых пользоваться натуральной эхолокацией, похожей на дельфинью, а других невидящих - так называемым "слепым зрением".

Миниатюрный махолёт с двумя крыльями впервые поднялся в воздух

В полёте миниатюрный махолёт очень сильно напоминает самую быструю в мире птичку колибри. От того, видимо, такая раскраска (фото AeroVironment).

Учёным из американской компании AeroVironment впервые удалось продемонстрировать управляемый полёт миниатюрного махолёта с автономным приводом.

Назвали летающую малявку NAV, что расшифровывается как nano air vehicle. Подъёмную силу, функции руля, элеронов и двигателя ему обеспечивают два крыла.

Ещё в декабре 2008 года один из тестируемых аппаратов смог продержаться в воздухе 20 секунд. Сейчас NAV способен зависать, двигаться вперёд-назад, влево-вправо, а также подниматься и опускаться в воздухе (все эти движения определяет с помощью пульта управления оператор устройства) в течение долгого времени.

Сложность создания скопированного с природных аналогов устройства в том, что оно работает совсем не так, как наиболее распространённые летательные аппараты.

Самолёты и вертолёты с жёстко закреплённым крылом поднимаются в воздух благодаря разнице давлений, возникающей под и над крылом в ходе движения (разбега по взлётно-посадочной полосе, раскручивания винта). Управление и стабилизация транспортного средства в полёте осуществляется при помощи различных аэродинамических пластин, расположенных на крыльях и хвосте.

"Махолёт контролировать гораздо сложнее, два крыла ещё больше усложняют дело", - рассказывает один из создателей NAV Мэтт Киннон (Matt Keennon).

Так как изначально весь проект финансировался исследовательским агентством Пентагона DARPA, вряд ли в ближайшее время будут раскрыты секреты полёта миниатюрного орнитоптера. Однако существуют некоторые предположения.

Например, форма крыла не имеет такого большого значения, как в случае с самолётами и вертолётами. В отличие от них махолёт создаёт два отдельных потока воздуха. Чтобы двигаться вперёд и назад NAV, скорее всего, меняет угол наклона крыла.  Вверху: так устройство должно было выглядеть по первоначальному проекту. Внизу: а таким оно, видимо, предстанет перед людьми в будущем (иллюстрации AeroVironment).

Отметим, что разработка ещё не достигла своей финальной стадии. В апреле этого года DARPA продлила контракт с AeroVironment и внесла ещё $2,1 миллиона, которые будут расходоваться учёными в целях улучшения летательного аппарата вплоть до лета 2010 года.

Конечно, дело не в благотворительности. Американское агентство ужесточает требования. В частности, специалисты хотели бы добиться, чтобы NAV весил не более 10 граммов, размах крыльев "птахи" не превышал 7,5 сантиметра, скорость движения вперёд была бы не менее 10 метров в секунду.

Кроме того, орнитоптер должен будет научиться противостоять порывам ветра до 2,5 метра в секунду и путешествовать на открытом воздухе и внутри зданий на расстояние до 800 метров.

"Чтобы получить такой результат, придётся искать и комбинировать механические, аэродинамические и программные решения", - говорит Киннон.

"На нашем пути пока ещё существует множество препятствий, которые только предстоит преодолеть. Однако прогресс уже сейчас налицо, потому мы надеемся рано или поздно добиться своей цели", - добавляет доктор Тодд Хилтон (Todd Hylton), руководитель программы DARPA.

Когда же DARPA и AeroVironment разработают окончательный вариант NAV, то, скорее всего, он будет использоваться для слежения за противником в военных конфликтах и обнаружения жертв природных катаклизмов.

Тело человека излучает слабый видимый свет

Оказывается, человеческое тело тоже испускает видимый свет, только он настолько слаб, что засечь его можно исключительно в темноте. Именно этим и занялись учёные из нескольких японских университетов.

Считается, что абсолютно все живые существа излучают свет, интенсивность которого меняется в течение дня. Виной тому биохимические процессы, происходящие в организме.

Излучение происходит в разных диапазонах длин волн. Например, тепло тела определяет появление невидимого для Homo sapiens инфракрасного свечения. Но кроме того, человеческое тело испускает и видимый свет, который, правда, в тысячи раз слабее чувствительности наших глаз.

Однако, если вооружиться различной аппаратурой, можно зарегистрировать и видимый свет. Японские учёные использовали необычайно чувствительные камеры, способные улавливать даже отдельные фотоны, и посмотрели на человеческое тело в полной темноте.

Точнее, они попросили пятерых здоровых мужчин в возрасте около 20 лет приходить в специально оборудованную комнату каждые три часа (с 10 часов утра до 10 вечера). Добровольцы раздевались до пояса и вставали перед теми самыми камерами, в таком положении они каждый раз проводили около 20 минут. Исследование проводилось три дня.

Выяснилось, что слабое свечение тела возрастало и падало в течение дня. Минимум приходился на 10 часов утра, а максимум - на 4 дня (после чего снова начинался спад интенсивности).

Исследователи посчитали, что сила испускаемого видимого света зависит от биологических ритмов, от метаболических процессов, происходящих в организме в течение суток.

Учёные также заметили, что лицо светится сильнее, чем остальное тело. Вероятно, это обусловлено тем, что лицо более загорелое (так как гораздо больше находится на солнце). Известно, что пигмент меланин, вырабатываемый кожей в ответ на солнечное излучение, имеет в своём составе флуоресцентные компоненты. Они, скорее всего, и усиливают свечение лица.

Изображения ультраслабого фотонного излучения человеческого тела, время съёмки: 10: 10, 13: 10, 16: 10 (иллюстрации PLoS ONE).

Один из авторов работы Хитоси Окамура (Hitoshi Okamura) из университета Киото считает, что в будущем такие камеры смогут по ослаблению свечения диагностировать различные нарушения обменных процессов (если удастся создать некую среднестатистическую картинку, которая бы характеризовала норму).

"Если есть возможность увидеть мерцание поверхности тела, получится определить и состояние всего организма", - вторит ему другой исследователь Масаки Кобаяси (Masaki Kobayashi) из технологического института Тохоку в Сэндай (Tohoku Institute of Technology in Sendai).

О своих достижениях учёные отчитались в журнале PLoS ONE.

Membrana.ru.24 июля 2009

Нано на обед: человек съест продукты нанотехнологий

Наноеда (nanofood) - термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это - любопытное направление в пищевой отрасли.

Учёные, инженеры и специалисты пищевой промышленности спорили о перспективах наноеды на первой конференции с говорящим названием Nano4Food 2005, прошедшей 20-21 июня в голландском местечке Wageningen.

Оказывается, наноеда - это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности.

Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства.

Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты.

И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Яблоки вместо атомов в решётке круглой наночастицы - логотип первой международной конференции по наноеде (иллюстрация с сайта nanofood.info).

Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть?

Помнится, некоторое время назад появилась "страшилка", что, мол, случайно попавшие в природу наночастицы, созданные руками человека, могут представлять опасность для здоровья. Эти опасения ещё не развеяны, но специалисты по нанотехнологиям предлагают посмотреть на такую "интервенцию" внутрь наших тел и с иной стороны.

А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты?

Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется - органических веществ.

И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами - всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ - это большое белое пятно на пересечении двух территорий - нанотехнологии и биологии.

Страницы: 1, 2