Научный дайджест. Выпуск №5

В прошлом выпуске мы говорили о том, что без кардинальных качественных изменений в российских школах и в системе подготовки инженеров кадрового дефицита не избежать. Уровень знаний школьников падает из года в год, а большинство отраслей науки находятся в плачевном состоянии. Но то, что среди нашей молодёжи талантов хватает и, несмотря на все проблемы, изобретательный потенциал русского народа велик, в очередной раз доказали студенты Дальневосточного федерального университета (ДВФУ).

Подводный робот из Приморского края

Конец июня ознаменовался приятной новостью – команда из ДВФУ заняла первое место в международных соревнованиях по телеуправляемым подводным аппаратам MATE International ROV Competition 2012. В этом году тематикой чемпионата стала Вторая мировая война, в результате которой в море затонуло множество судов, а в их баках осталось топливо, которое представляет экологическую угрозу. Заданием команд было разработать методы безопасного извлечения этого топлива, не нанося вреда фауне мирового океана.

Давайте немного подробнее взглянем на технические особенности разработанного проекта, который поступил на конкурс под кодовым именем ALIEN ROV. Устройство имеет специфическую структуру и спроектировано с использованием принципов бионики. Дизайн робота разработан в среде Solid Works 3D. Визуальные трёхмерные модели позволили членам команды понять, как ALIEN ROV будет выглядеть, а также представить принципы его функционирования. Каркас, являющийся основой корпуса, напоминает скелет морского животного. Этот каркас выполнен из полипропилена, который отличается высокой прочностью, а также легче воды, что важно для получения высокой степени плавучести. Для вырезания требуемой формы плавучей части, которая изготовлена из полиуретановой пенки, изобретатели использовали проволоку с подключенным к ней переменным током.

Подводный робот оснащен шестью мощными двигателями, которые позволяют удерживать устойчивую позицию при работе с разными устройствами или в процессе съёмки видео с помощью четырёх камер. Четыре двигателя обеспечивают движение и стабилизацию положения аппарата в горизонтальной плоскости. Остальные два, соответственно, отвечают за стабилизацию на глубине и регулировку наклона относительно поперечной оси.

Также на борту установлено специальное полезное оборудование, такое как устройство промывки ёмкости с топливом, измерительный прибор для определения длины корабля, металлоискатель для поиска обломков судов, и другое. Контейнеры для электронных компонентов рассчитаны на работу под водой на глубине до 6 метров. Особое внимание разработчики уделили подсистеме безопасности, которая включает датчики температуры в двигателях, предохранители, переключатель для экстренного отключения подачи питания, предупреждающие сигналы.

Главной частью робота является электронный блок, который управляет другими подсистемами. Управляющие сигналы подаются на контроллерную плату, которая связана с электронным компасом, акселерометром, платой манипулятора. Важной частью также является блок коммутации, разделяющий линии питания, управляющие сигналы, поступающие по Ethernet-интерфейсу, и видеопотоки. Система управления включает разработанное командой программное обеспечение с графическим интерфейсом и низкоуровневое ПО.

Затраты на разработку робота составили почти $10,5 тысяч, а совокупные расходы на проект, включая материалы и стоимость путешествия и проживания группы на базе чемпионата, превысили $40 тыс. Если вас интересуют детали и подробности проекта, предлагаем обратиться к первоисточнику.

⇡#В борьбе со снегом и туманом на дороге

Разработка, которая может найти реальное применение уже в обозримом будущем, представлена группой исследователей из Университета Карнеги-Меллон (Carnegie Mellon University), а также сотрудниками компаний Mines ParisTech и Texas Instruments. В условиях низкого освещения водители для улучшения видимости используют фары. Но при сильном дожде или снеге фары могут, наоборот, ещё больше ухудшать видимость, так как свет частично отражается от осадков и возвращается в направлении водителя. Также частички воды, «висящие» в воздухе, способствуют рассеянию света под разнообразными углами, что мешает другим водителям, едущим навстречу.

Современные методы компьютерного зрения цифровым способом убирают капли дождя или снежные полосы с захваченного изображения и предусматривают надеваемые на глаза водителя микродисплеи, что может создавать ему некоторые неудобства. Группа ученых предложила принципиально иную систему, способную непосредственно улучшать обзор водителю в тяжелых погодных условиях путём автоматического управления освещением при обнаружении осадков. Инновационная система фиксирует скорость и угол падения капель или снежинок и отключает лучи света, которые пересекаются с траекторией движения частиц за счет использования быстрого динамического управления. С помощью физического симулятора изобретатели показали, как такой адаптивный свет будет вести себя при разных погодных условиях. В рамках исследования спроектирована концептуальная система, которая обеспечивает эффективное освещение в условиях искусственно созданных в лабораторных условиях осадков.

Существующие системы адаптивного освещения обладают слишком медленной реакцией и не подходят для решения данной проблемы. Ключевыми требованиями являются сверхнизкие задержки, высокая скорость работы, а также исключительная точность определения расположения частиц осадков и эффективные алгоритмы прогнозирования. Прототип новой системы включает камеру, проектор, разделитель пучка света.

В верхней части поля зрения камеры частички осадков (капли дождя, снежинки, градины) освещаются проектором, и их перемещение фиксируется на протяжении короткого промежутка времени (несколько миллисекунд). Важно отметить, что во внимание берутся только частицы определённого размера, так как мелкие оказывают незначительное влияние. Полученные «следы» используются для дальнейшего прогнозирования траектории частиц. Связка камеры с проектором упрощает процесс слежения за частицами, так как для этого достаточно определять их координаты в двух-, а не трёхмерном пространстве.

Для ускорения реакции системы и увеличения её общего быстродействия многие подзадачи выполняются параллельно. Как отмечают разработчики, созданный прототип отличается низкой себестоимостью, использует доступные компоненты и позволяет существенно улучшить видимость дороги без ощутимого уменьшения мощности освещения фарами.

Тем не менее система ещё требует серьёзной доработки. В экспериментах прототип оставался статичным, тогда как автомобиль находится в движении. Кроме того, изобретатели не учли случайных порывов ветра, которые могут ощутимо изменять траекторию движения частиц. Больше подробностей можно найти в статье Fast Reactive Control for Illumination Through Rain and Snow.

⇡#Управление компьютером с помощью взгляда всего за $30…

Технологии слежения за движением глаз, помогающие людям с нарушением моторики управлять всевозможными устройствами, интенсивно разрабатываются, но пока ещё не являются широко распространенными. Их использованию в реальных приложениях препятствует неточная интерпретация сигналов и нехватка гибкости в управлении, а также высокая стоимость. Исследователи из Имперского колледжа Лондона предложили способ фиксации параметров взгляда в трёхмерном, а не двухмерном формате. Это позволяет, по их утверждению, получать больше информации о сигнале и повысить точность работы так называемых человеко-машинных интерфейсов.

Важно отметить, что разработка британских изобретателей имеет практическую направленность. Дело не ограничилось теоретическими изысканиями — они также создали работающий экземпляр бинокулярного устройства слежения за взглядом, которое отличается очень низкой себестоимостью. Совокупная цена используемых компонентов составила всего $30. Это, по данным источника, в 800 раз меньше, чем стоимость коммерческих систем со сравнимой функциональностью.

Устройство включает две видеокамеры PlayStation 3 Eye Camera от игровой консоли, каждая стоимостью около $10. Для оптимизации получения изображения оптика камер была модифицирована. Вместо штатного инфракрасного фильтра была установлена негативная плёнка, играющая роль дешевого фильтра, пропускающего ИК-излучение.

Далее глаза освещаются двумя светодиодами ИК-диапазона, которые создают так называемый эффект «темного зрачка» и способствуют повышению контраста между зрачком и радужной оболочкой глаза. Параметры ИК-излучения были подобраны таким образом, чтобы обеспечить безопасность для глаз пользователя. Подача питания к светодиодам осуществляется по USB-кабелю. Также USB-интерфейс используется для передачи полученного изображения на компьютер. Для удержания камер на голове пользователя разработана конструкция, стоимость которой составила всего $10. Масса всей системы равна 135 грамм.

Разработанная методика слежения за взглядом использует стандартные инструменты обработки изображения для определения положения центра зрачка в каждом видеокадре. ИК-подсветка обеспечила высокий контраст и удобную сегментацию изображения, что позволяет без труда преобразовывать картинку с градациями серого в бинарную. Далее отфильтровываются шумы, а также отсекаются все ненужные элементы.

Позиция зрачка, которую выделяют из изображения глаза, должна быть привязана к направлению взгляда. Явный метод трудно реализуем с использованием дешевого аппаратного обеспечения. Неявный метод, в свою очередь, требует наличия большего количества калибровочных 3D-точек. Исследователи объединили оба метода. На неявном этапе выводятся 2D-параметры, а явный геометрический этап позволяет перевести их в рассчитанный в трёхмерном измерении взгляд. Для каждого глаза формируется 3D-вектор, после чего рассчитывается точка их сходимости, которая называется позицией взгляда. В зависимости от этой позиции, вырабатывается соответствующая реакция системы. Подробнее данная технология описана в статье Ultra-low-cost 3D gaze estimation: an intuitive high information throughput compliment to direct brain-machine interfaces.

Разработанное устройство позволяет с помощью взгляда гулять по интернет-страницам, набирать текст на виртуальной клавиатуре и даже играть в игры в режиме реального времени. В качестве демонстрации исследователи показали, что с помощью системы можно играть в видеоигру Pong.

⇡#Электроника возвращается к вакууму

Что же кроется за этим интригующим подзаголовком? Нет, ученые не предлагают нам вернуться к ламповым диодам. Изобретатели из Питтсбургского университета просто обнаружили, что использование вакуума в полупроводниковых приборах может помочь преодолеть ограничения, накладываемые современной кремниевой компонентной базой.

С открытием полупроводниковых транзисторов, которые в 1947 году пришли на смену громоздким и неэффективным электронным лампам, отрасль высоких технологий пережила настоящую революцию. Но с ростом требований к производительности компьютерной техники и соответствующим «прецизированием» техпроцессов обнаружились ограничения кремниевых приборов, которые могут стать угрозой их дальнейшему развитию. Так называемый закон Мура, предусматривающий увеличение количества транзисторов на интегральных схемах в два раза каждые два года, выполнять становится всё сложнее и дороже. Для обхода этих проблем исследователи предложили заменить кремний как среду для транспортировки электронов вакуумом.

Граничная максимальная скорость транзистора, отмечает профессор Питтсбургского университета Куу Ким (Koo Kim), определяется «временем транзита электрона». Электроны, путешествующие в полупроводниковом устройстве, часто подвергаются соударениям и рассеиванию в твердотельной среде. Ким сравнивает это с машиной, которая едет по ухабистой дороге. Для решения данной проблемы исследователи предложили исключить твердотельную транспортную среду, по сути убрав ухабы, и использовать вместо неё прослойку вакуума или воздуха толщиной порядка нескольких нанометров.

Традиционные вакуумные электронные приборы требуют высокого рабочего напряжения и несовместимы со многими приложениями. Поэтому группа изобретателей решила изменить структуру такого устройства. Ученые заметили, что электроны, находящиеся на поверхности раздела между полупроводником и оксидным или металлическим слоем, легко выталкиваются в воздушную среду. Эти частицы образуют плоский заряженный лист или так называемый двумерный электронный газ. Благодаря кулоновскому отталкиванию эмиссия электронов с кремниевого слоя происходит достаточно легко. Группе исследователей удалось эффективно извлечь электроны из полупроводниковой структуры, приложив ничтожно малое напряжение, после чего частицы были помещены в воздушное пространство и без каких-либо столкновений между собой перемещались по каналу длиной около 20 нм.

По мнению авторов открытия, эмиссия электронов в вакуумные каналы позволит создать новый класс маломощных, высокоскоростных транзисторов, которые к тому же совместимы с современными производственными технологиями. На этой оптимистической ноте позвольте распрощаться с вами до следующего выпуска. Подробнее об изобретении рассказывается в статье Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with a vacuum channel, опубликованной недавно в журнале Nature Nanotechnology.