Теги → сколтех
Быстрый переход

Российские учёные придумали, как точно менять свойства материалов с помощью деформации — это приближает электронику нового поколения

Растянутый или напряжённый кремний в процессорах Intel и AMD два десятилетия демонстрирует нам тот факт, что деформации в кристаллической структуре материала способствуют росту производительности. Учёные из Сколтеха с зарубежными коллегами пошли дальше. Они предложили алгоритмы и инструменты, которые могут буквально «на лету» менять свойства материала, что приближает создание электроники следующего поколения.

Ранее исследователи из Сколтеха доказали возможность глубокого изменения свойств материалов с помощью управляемой деформации. Например, они показали, как отличный изолятор алмаз можно превратить в хороший полупроводник и даже проводник. В основу подобных превращений положено целое новое направление в исследованиях — инжиниринг упругих деформаций (ESE). Деформации создают настолько необычные атомные связи, что это наверняка приведёт к появлению материалов с удивительными свойствами, которые даже невозможно предсказать.

Впрочем, новая разработка Сколтеха, подкреплённая лабораторными экспериментами их коллег из США (MIT) и Сингапура (Наньянский технологический университет), позволяет рассчитать ключевые параметры материала до совершения деформации и получить в итоге материал с заданными свойствами. Всю эту работу выполняет самообучаемая нейронная сеть, аналогов которой в мире нет.

«Созданная нами нейронная сеть использует в качестве входных данных тензор деформации и предсказывает электронную зонную структуру — это своего рода физический «снимок», описывающий электронные свойства деформированного материала. Его можно использовать для расчета любых представляющих интерес свойств, включая ширину запрещенной зоны, ее свойства и тензор эффективных масс электрона», — поясняет соавтор исследования доцент Сколтеха Александр Шапеев.

Российские физики «подружили» кремний со светом и сделали шаг к микроэлектронике следующего поколения

Российские физики нашли возможность создавать на кремнии мощные источники фотонов. Это обещает перевести чипы с работы на токе электронов на передачу фотонов. Скорость работы микросхем нового поколения достигнет «световой» скорости при минимальном нагреве чипов.

Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя. Источник изображения: Сколтех

Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя. Источник изображения: Сколтех

В опубликованной в издании Laser and Photonics Reviews работе ученые Сколтеха с коллегами из Института физики микроструктур РАН, Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Университета ИТМО, МГУ им. М.В. Ломоносова и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН рассказали о технологии создания на обычном кремнии высокоэффективных источников фотонов.

В обычных условиях кремний — главный материал для изготовления чипов в мировой индустрии полупроводников — плохо поглощает и излучает фотоны. В то же время плотность размещения элементов (транзисторов и прочего) в кристалле достигла такого уровня, что плотность потока тепла в процессе работы чипов начинает мешать росту производительности микросхем и создаёт массу других неудобств. Переход на передачу данных фотонами помог бы решить проблему, но простых решений для этого до сих пор не было.

Учёным удалось «подружить» кремний и свет. Исследователи внедрили в кремниевую структуру германиевые наноточки и, что самое важное, изготовили на поверхности кремния специально рассчитанный фотонный кристалл. Идея заключалась в том, что фотонный кристалл создаст резонатор вокруг излучающей наноточки и многократно усилит свечение, которого в теории хватило бы для работы электронных схем.

Кремниевый фотонно-кристаллический слой (слева), его собственные моды (по центру) и его спектр излучения (справа). Источник изображения: Сколтех

Кремниевый фотонно-кристаллический слой (слева), его собственные моды (по центру) и его спектр излучения (справа). Источник изображения: Сколтех

«Сама идея связанных состояний в континууме была заимствована из квантовой механики: эффективное удержание света внутри резонатора происходит благодаря тому, что симметрия электромагнитного поля внутри резонатора не соответствует симметрии электромагнитных волн окружающего пространства», — поясняется в пресс-релизе на сайте Сколтеха.

Предложенное физиками решение усилило интенсивность свечения более чем в сто раз — это открывает один из перспективных путей для перехода к CMOS-совместимым оптоэлектронным интегральным схемам.

Российские учёные научились делать из органики катоды для аккумуляторов с быстрой зарядкой

В не очень отдалённом будущем проблема утилизации аккумуляторов встанет в полный рост. Одним из выходов из данной ситуации могут стать органические материалы в составе батарей, которые будут просто и безопасно перерабатываться. Одними из первых перспективные материалы для аккумуляторов предложили учёные из Сколтеха с коллегами. Более того, российские учёные представили универсальный подход для синтеза материалов с лучшими свойствами.

Фрагмент обложки журнала ACS Applied Energy Materials, посвящённый исследованию российских учёных. Источник изображения: ACS Applied Energy Materials

Фрагмент обложки журнала ACS Applied Energy Materials, посвящённый исследованию российских учёных. Источник: ACS Applied Energy Materials

Направление органических катодных материалов плохо исследовано, утверждают в Сколтехе. Если всерьёз заняться их разработкой можно добиться впечатляющих результатов. В опубликованной в издании ACS Applied Energy Materials статье исследователи рассказали, как смогли синтезировать органический материал для катодов литиевых, натриевых и калиевых аккумуляторов с удельной ёмкостью до 140 мА·ч/г, стабильностью до 1000 циклов заряда и разряда и возможностью быстрой зарядки меньше чем за 1 минуту.

Учёные предложили простой редокс-активный полиимид, который получали в ходе нагрева смеси двух доступных компонентов — ароматического диангидрида и мета-фенилендиамина. Материал оказался привлекательным по характеристикам в различных системах хранения энергии, а не только в литиевых. Это тем более важно, что запасы лития на Земле ограничены, и этот металл не может рассматриваться в качестве долгосрочной перспективы.

«Эта работа интересна не просто потому, что мы исследовали новый органический катодный материал, — рассказывает автор разработки, аспирант Сколтеха Роман Капаев, — Мы предложили новый принцип молекулярного дизайна полиимидов для аккумуляторов, заключающийся в использовании ароматических молекул с аминогруппами в мета-положениях в качестве строительных блоков». Работа прояснила аспекты, которые позволяют лучше понять, в каком направлении надо работать для получения материалов с наилучшими свойствами. Путь показан, кто-то по нему обязательно дойдёт до интересного результата.

Новый метод прогнозирования солнечной активности поможет защититься от космического мусора на орбите и Земле

Недавний неконтролируемый сход с орбиты второй ступени китайской ракеты-носителя взбудоражил службы и население по всей Земле. Это не первый и не последний случай, когда космический аппарат или его обломки падают на Землю или создают опасные ситуации на орбите. Неточность предсказания поведения обломков связана с тем, что верхние слои атмосферы могут расширяться и сжиматься по мере изменения солнечной активности. Учёные смогли это учесть.

Обломок вернувшегося космического объекта, найденный в Индонезии. Сфера диаметром примерно 50 см и массой 7,4 кг. Источник изображения: Европейское космическое агентство.

Обломок космического объекта, найденный в Индонезии. Сфера диаметром 50 см и массой 7,4 кг. Источник: Европейское космическое агентство.

Ученые из Сколтеха вместе с коллегами из Грацского университета имени Карла и Франца и обсерватории Канцельхох (Австрия), а также из Европейского центра управления космическими полётами разработали метод и программное обеспечение для долговременного прогноза радиопотока от Солнца. Программа RESONANCE (Radio Emissions from the Sun: ONline ANalytical Computer-aided Estimator) способна предсказать солнечную активность на два года вперёд, что было доказано в ходе сопоставления предсказаний с накопленными многолетними наблюдениями за неконтролируемым падением космического мусора.

Программа RESONANCE опирается на предсказание радиопотоков F10.7 и F30 на длине волны соответственно 10.7 и 30 см, усреднённых за час. Это прямой индикатор солнечного ультрафиолетового излучения, которое нагревает верхние слои атмосферы и заставляет их расширяться при высокой активности Солнца и сжиматься при низкой. Расширение границ атмосферы ведёт к быстрому ускорению торможения небольших объектов космического мусора и к медленному торможению больших обломков. Предсказать подобное поведение объектов на орбите означает избежать столкновений с мусором действующих космических аппаратов, как и точно знать, куда упадут обломки, способные долететь до поверхности Земли.

Важно отметить, что пакет RESONANCE создан и будет интегрирован в оперативные службы слежения за космической погодой. На своём рабочем месте пакет займётся непрерывным прогнозированием радиопотока от Солнца, что с пользой будет использоваться для повышения точности оценки орбит спутников, сервисов возвращения спутников на Землю, моделирования космического мусора и предотвращения столкновения космических аппаратов. Добавим, о результатах работы сообщено в одном из ведущих журналов по астрономии и астрофизике — The Astrophysical Journal Supplement Series.

В России разработали умного дрона-охотника на борщевик

В России для поиска и уничтожения такого вредоносного растения, как борщевик Сосновского ежегодно тратятся колоссальные средства. Это растение опасно для людей и вредит растениеводству. Для эффективного обнаружения борщевика учёные из Сколтеха создали бортовой ИИ для дронов, который в режиме реального времени может проверить большую территорию и не пропустит ни одно опасное растение.

Основной проблемой было создать алгоритм на основе нейронных сетей, который мог бы нормально работать на слабом бортовом оборудовании дронов. Для этого исследователи модифицировали популярные архитектуры UNet, SegNet и ResNet для запуска на одноплатных компьютерах. В ходе работ удалось создать алгоритм и рабочую нейронную сеть на основе полностью свёрточных нейронных сетей (FCNN – Fully Convolutional Neural Networks). Такая сеть может выделять на изображении объект неправильной формы с точностью до пикселя. Фактически систему научили находить на изображении одиночное растение и не допускать его распространение.

«Традиционные методы мониторинга недостаточно эффективны — наблюдение с земли слишком сильно зависит от человеческого фактора, а космическое зондирование хорошо подходит лишь для распознавания больших зарослей. Снимки со спутников имеют недостаточное разрешение, чтобы распознать отдельные растения, а зависимость от погоды и кратности орбиты делают такой метод непрактичным для получения наиболее актуальной информации», — рассказывает первый автор исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха Александр Меньщиков.

Входное изображение (слева) и результат работы предложенной полностью сверточной нейронной сети (справа). Источник изображения: Сколтех

Входное изображение (слева) и результат работы предложенной полностью сверточной нейронной сети (справа). Источник изображения: Сколтех

Мониторинг дронами с ИИ на борту даёт возможность приступить к уничтожению сорных растений ещё до завершения полёта. Этому методу не нужна последующая длительная обработка данных. Всё происходит на лету в буквальном смысле этого слова. Более того, этот метод можно применить для отслеживания многих параметров растений и разнообразных культур, например, для слежения за здоровьем посадок и состоянием урожая.

В Сколтехе разработали встраиваемый в тело человека датчик для слежения за уровнем «гормона стресса»

Встроенные в тело человека датчики могут помочь при лечении целого спектра сложных заболеваний, когда важно следить за пациентом непрерывно и долго. Это абсолютно щадящие методы, если сравнивать их с регулярным забором крови и сдачей других анализов. В частности, учёные из Сколтеха разработали датчик для постоянного слежения за уровнем гормона кортизола, концентрация которого повышается при стрессе и вредит здоровью.

«Во-первых, мониторинг уровня анализов in vivo сам по себе является непростой задачей. Во-вторых, молекула кортизола относительно невелика. Наконец, забор образцов крови — процедура, вызывающая стресс как у животных (мышей или крыс), так и у людей, а в стрессовом состоянии концентрация кортизола повышается, и результат анализа оказывается недостоверным. Задача исследования — разработать имплантируемый сенсор для контроля кортизола непосредственно в кровотоке», — рассказывает один из авторов статьи, профессор Сколтеха и Университета Северного Техаса (США) Владимир Драчев.

Учёные предполагают, что датчик непрерывного мониторинга кортизола в крови в режиме реального времени будет иметь вид оптического волокна в тонкой игле, на конце которого находится капиллярная ячейка с полупроницаемой мембраной. Мембрана будет пропускать только молекулы кортизола. Свободный кортизол будет взаимодействовать с особым биологическим материалом на золотых наноостровках в датчике, что будет сопровождаться флуоресценцией, интенсивность которой будет эквивалентна уровню этого гормона в крови.

Флуоресцентная засветка по оптоволокну будет передаваться на портативный спектрометр на теле человека и сигнализировать об уровне кортизола. Заявлено, что новый сенсор способен регистрировать минимальный уровень кортизола — 0,02 мкг на миллилитр, что соответствует нормальному уровню гормона в плазме крови человека. Одним из неприятных последствий повышений уровня кортизола в крови является нарушение обмена веществ, что стало бичом современного цивилизованного общества. Новая разработка имеет все шансы помочь в лечении подобных нарушений, но для этого ещё предстоит провести много новых исследований.

Сколтех запатентовал композитное волокно для 3D-печати прочнейших моделей в домашних условиях

Обычный пластик для 3D-печати методом послойного наплавления (FDM) обладает рядом недостатков, включая сравнительно низкую прочность изделий. Увеличить прочность можно за счёт использования композитных материалов, но это будет накладно. Исследователи из Сколтеха придумали принципиально новое «слоистое» композитное волокно для FDM-печати на обычных настольных 3D-принтерах, которое не разорит владельцев и позволит печатать прочнейшие модели.

Новый материал представляет собой волокно из двух или большего числа слоёв. Внутренний слой — сердечник — изготовлен из армированного короткими волокнами композита, а внешний слой — оболочка — армируется графеном. Поскольку графена используется немного, это не увеличит стоимость материала, зато армированный графеном пластик равномерно покроет материал сердечника. Это важно, поскольку короткие волокна в структуре сердечника придают материалу высокие абразивные свойства. Как минимум, такую модель будет сложно обрабатывать.

Использование волокна с вкраплением графена в оболочку открывает возможность задействовать в качестве коротких армирующих волокон более дешёвое стекловолокно, а не углеродные волокна. Это поможет удержать стоимость композитного материала на низком уровне, не принося в жертву прочность.

В пресс-релизе на сайте Сколтеха говорится: «Технология изготовления коаксиального волокна может использоваться в различных термопластичных и в том числе высокотемпературных полимерах, например, PEEK. Кроме того, используя другие типы добавок, можно улучшить жесткость, ударопрочность, защиту от влаги, антистатические свойства, биосовместимость и другие важные характеристики материала».

Ожидается, что новый материал отлично подойдёт для печати деталей крепежа, оснастки и составных частей для производства автомобилей, мотоциклов и велосипедов, экзоскелетов, протезов, робототехники и многого другого. Для коммерческого продвижения разработки создан стартап Novaprint 3D.

Учёные синтезировали новый высокотемпературный сверхпроводник и удивились полученному результату

Международная группа под руководством российских учёных экспериментально исследовала новый высокотемпературный сверхпроводник — гидрид иттрия (YH6). Обычно предварительные теоретические расчёты подтверждаются экспериментально с погрешностью не более 15 %. В случае гидрида иттрия условия поддержки высокотемпературной сверхпроводимости в два раза разошлись с теорией, что оставило простор для новых исследований.

Источник изображения: Сколтех

Источник изображения: Сколтех

Исследовательская работа, данные о которой опубликованы в Advanced Materials, велась под руководством профессора Сколтеха и НИТУ МИСиС Артема Оганова и доктора Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН. Сверхпроводимость YH6 была предсказана китайскими учёными в 2015 году. Она достигается при температуре 224 K (–49,15 °C). Согласно теоретическим расчётам, сверхпроводимость в гидриде иттрия возникает при давлении 1,4–1,7 млн атмосфер.

Также расчёты показывают критические значения магнитных полей, при которых происходит явление сверхпроводимости. «В случае гидрида иттрия YH6 теория и эксперимент плохо согласуются, — сообщается в пресс-релизе Сколтеха. — Например, экспериментальное критическое магнитное поле оказывается в 2–2,5 раза выше теоретических предсказаний. С таким учёные сталкиваются впервые и объяснение им ещё предстоит найти. Возможно, в этом веществе присутствуют дополнительные физические эффекты, не учтённые прежними теоретическими работами».

Значительные расхождения между теоретическими и практическими результатами, которые получили физики, могут существенно изменить подход к поиску материалов для высокотемпературной сверхпроводимости. Дело в том, что в этих изысканиях теория играет ключевую роль, позволяя одному научному коллективу за год провести компьютерное моделирование полсотни–сотни веществ, чтобы выбрать то единственное, которое окажется достойным практических испытаний, ведь на каждый эксперимент с синтезом вещества уходит несколько лет. Поэтому расхождение теории и практики должно быть минимальным, а полученная аномалия должна быть изучена.

Учёные из Сколково запатентовали анод для перспективных калийионных аккумуляторов

Всё идёт к тому, что вскоре на Земле не будет хватать запасов лития. Одним из вероятных заменителей этого материала в аккумуляторах обещает стать калий, но для калийионных аккумуляторов нужны иные материалы для катодов и анодов. Такие материалы ищут группы учёных во всём мире, включая Россию. Ищут, находят и получают патенты, как учёные из Сколтеха, обещая приблизить появление новых систем хранения энергии.

Как сообщается на сайте Сколтеха, группа учёных получила патент на анодный композит с улучшенными электрохимическими характеристиками. За основу был взят так называемый неграфитизируемый углерод (в английской литературе используется термин hard carbon), который представляет собой сложную развитую изотропную (однородную) структуру. Эта структура хорошо сочетается с углеродными нанотрубками, которые дополнили материал анода.

«Поводом для новой разработки послужил тот факт, что ионные радиусы у лития и калия существенно отличаются, поэтому материалы, пригодные для интеркаляции [вставки ионов] лития, не подходят для ионов калия. Аноды на основе неграфитизируемого углерода могут хорошо работать с калием в силу сложной развитой структуры. Ещё одно преимущество такого анода состоит в том, что его довольно легко синтезировать», — рассказала аспирант Полина Морозова, одна из соавторов исследования.

Также использование в составе композита углеродных трубок обусловлено тем, что их чрезвычайно высокая электронная проводимость станет гарантией обеспечения быстрой и надёжной работы калийионных аккумуляторов. Использование в качестве анода патентованного композита подтвердило, что отношение отданных аккумулятором ампер-часов (емкости аккумулятора) к ампер-часам, полученным им от зарядного устройства за один цикл зарядки (кулоновская эффективность анода) очень высокое и подтверждает целесообразность дальнейших исследований предложенного состава анода.

Британские и российские физики предложили новый способ решения ИИ-задач на оптических компьютерах

Исследователи из Кембриджского университета и Сколковского института науки и технологий (Сколтех) предложили новый способ сложных вычислений на оптических компьютерах. Эта теоретическая работа может лечь в основу нового подхода к использованию нейронных сетей, решению задач искусственного интеллекта и много другого, с чем классические компьютеры справляются с трудом.

Источник изображения: University of Cambridge

Источник изображения: University of Cambridge

Идея заключается в том, что вместо традиционного использования сложения световых сигналов (волн) от двух и более источников с последующей интерпретацией полученного результата на состояния «0» или «1», световые сигналы умножаются. Идею изучили и предложили профессор факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета и Центра Сколтеха по фотонике и квантовым материалам (CPQM) Наталья Берлофф и аспирант Сколтеха Никита Строев.

«Оказалось, что самое главное — это найти способ объединить эти импульсы [в оптоволокне], — отмечает Никита Строев. — Если правильно их объединить и добиться нужной интенсивности света, свет будет усиливаться, оказывая влияние на фазы отдельных импульсов и, тем самым, подсказывая решение для нелинейных задач».

Уточним, предложенное решение не годится для повсеместного универсального использования. Речь идёт, например, о создании вычислительных оптических систем для решения задач по типу нахождения оптимальных решений (минимумов), что во многом напоминает работу квантовых вычислителей в режиме так называемого квантового отжига. Только в случае квантовых систем остаётся проблема с разрушением состояния кубитов, а со светом мы уже научились работать.

Впрочем, учёные не скрывают, что они только в начале пути. «Прежде чем будет доказано превосходство оптических систем над существующими компьютерами в решении сложных вычислительных задач, предстоит разобраться с такими серьезными проблемами, как снижение шума, исправление ошибок, улучшение масштабируемости, поиск объективно оптимального решения и т.д.», — сообщается в пресс-релизе Сколтеха.

«Если наш подход адаптировать под конкретные типы задач, не исключено, что оптические компьютеры можно будет использовать для решения реальных проблем, с которыми классические компьютеры уже не в состоянии справиться», — сказала в заключение Наталья Берлофф.

Сколтех показал рабочий прототип базовой станции 5G

На днях на Форуме «Сильные идеи для нового времени», где присутствовали представители практически всех ветвей государственной власти Российской Федерации, Сколтех представил рабочий прототип отечественной базовой станции 5G. Станция уже используется в пилотной зоне по изучению возможностей российского сотового оборудования пятого поколения и подтверждает способность российских разработчиков создавать передовые аппаратно-программные решения.

Прототип базовой станции 5G Сколтеха. Источник изображения: ТАСС

Прототип базовой станции 5G Сколтеха. Источник изображения: ТАСС

Прототип демонстрирует скорость передачи данных на уровне 300–450 Мбит/с в реальной сети оператора. Промышленные образцы будут передавать данные со скоростью в три–четыре раза большей. Сейчас идёт процесс проверки на совместимость всех элементов сетевого оборудования и тестирование предложенных наработок. Скорость передачи будет увеличиваться постепенно, пока не достигнет теоретически возможного максимума.

В настоящее время прототип российской базовой станции 5G использует рабочие диапазоны 3,5 ГГц и 4,9 ГГц, но если в России будут выделены другие полосы, то Сколтех обеспечит их поддержку (полоса 3,4–3,8 ГГц занята военными и спецслужбами, поэтому пока в России она под запретом для 5G).

Партнёрами в разработке базовых станций 5G Сколтех называет компании «Элтекс» и «Радио Гигабит». Перейти к масштабированию базовых станций для развёртывания сетей 5G на федеральном уровне разработчики собираются в 2023 году. Сеть 5G считается важнейшим условием для развития Интернета вещей и «Промышленности 4.0». Это поднимает важность связи пятого поколения на такую высоту, на которой телекоммуникации ещё никогда не были. Это рывок прогресса в обработке данных и производства, без чего невозможно будет находиться в будущем клубе телекоммуникационных супердержав.

Российская кремниевая фотоника прокладывает путь к сотовой связи 6G

Группа ученых под руководством кандидата физико-математических наук профессора Владимира Драчева (Центр проектирования, производственных технологий и материалов) разработала технологию и создала устройство, которое позволяет модулировать оптическое излучение с длиной волны 1,5 мкм и электрическим сигналом с частотой до 10 ГГц. Созданный компонент относится к так называемой кремниевой фотонике и обещает привести к «полной локализации производства инфраструктурного и терминального оборудования 6G в России».

IPQ/KIT

IPQ/KIT

Ожидается, что сотовая связь шестого поколения (6G) начнёт внедряться на рубеже перехода к следующему десятилетию. Увеличение скорости передачи данных и дальнейшее снижение задержек потребуют более плотного размещения базовых станций и, следовательно, многократно увеличат нагрузку на кабельную инфраструктуру (соединяющую между собой базовые станции, периферийные и главные ЦОД). Всё это заставляет бросить все силы на разработку более эффективных преобразователей радиосигнала терагерцового и субтерагерцового диапазона в оптический диапазон.

Российские учёные, как и мировая научная мысль, заняты поиском технологий производства радиотехнических элементов, преобразующих радиосигнал в «свет» для передачи по оптическому кабелю. В частности, свежий пресс-релиз Сколтеха сообщает нам, что группа российских ученых добилась определённого прогресса в создании опытных экземпляров подобных элементов.

«Прорывной характер разработки состоит в практической реализации экспериментального образца сверхвысокочастотного электрооптического плазмонного модулятора, размеры которого не превышают несколько десятков микрон. Полученное устройство, изготовленное по стандартной полупроводниковой планарной технологии, будет использовано в качестве элемента радиофотонного трансивера 6G терагерцового диапазона».

В опубликованном Сколтехом документе не разъясняется суть разработки. Поэтому поясним, что речь идёт о преобразовании электрического сигнала в фотоны благодаря таким эффектам в специальной среде, как возбуждение квазичастиц плазмонов.

Представленная технология гарантирует полную совместимость с процессами изготовления структур металл-оксид-полупроводник (МОП) на основе кремния-на-изоляторе (КНИ). Также она обещает совместимость с другими устройствами планарной радиофотоники и интегральной фотоники за счет использования стандартных длин волн оптического спектра и интерфейсов ввода-вывода, высокую безынерционность за счет использования оптической модуляции плазмонного «затвора» нанометровых размеров и другие преимущества, без которых сложно будет представить будущее телекоммуникации.

Подключить человеческий мозг к компьютеру поможет искусственный интеллект

Заманчивая перспектива обеспечить прямую передачу данных в мозг из компьютера и обратно неизбежно упирается в чрезвычайную сложность работы человеческого мозга. Это как в облаке комаров попытаться расслышать звук конкретного насекомого. Но такие задачи по силам алгоритмам машинного обучения, что пытаются доказать исследователи из Сколтеха.

Источник изображения: iStock/mustafahacalaki

Источник изображения: iStock/mustafahacalaki

Группа учёных из Сколтеха вместе с коллегами из INRIA и RIKEN Advanced Intelligence Project провела исследование ряда современных алгоритмов машинного обучения, которые созданы решать задачи по определению умственной нагрузки и эмоциональных состояний человека. Попутно учёные создали два новых алгоритма, так модифицировав их прежние версии, что смогли улучшить компьютерное распознавание эмоций и интенсивности размышлений человека.

Для исследований были выбраны алгоритмы из двух категорий: классификаторов на основе римановой геометрии (RGC) и свёрточных нейронных сетей (CNN). Выбранные алгоритмы ранее уже показали свою эффективность при использовании в «умных» протезах для управления отсутствующими конечностями. Но это так называемые «активные интерфейсы». Для определения эмоционального состояния и умственных усилий чаще используются «пассивные интерфейсы» ИМК (интерфейс мозг-компьютер) при помощи электроэнцефалографии (ЭЭГ). Для этого не нужно прямого доступа к мозговым тканям живого человека, достаточно дистанционно измерять электрическую активность головного мозга.

В процессе обработки данных о состоянии активности мозга выяснилось, что алгоритмы с римановой оптимизацией неплохо проявили себя как с оценкой степени умственной нагрузки у испытуемых, так и при определении эмоционального состояния человека. Нейронная сеть же оказалась впереди по точности определения умственной нагрузки, но спасовала при оценке эмоций.

«На следующих этапах исследования мы планируем использовать более сложные методы на основе искусственного интеллекта (ИИ) и, в первую очередь, методы глубокого обучения, с помощью которых можно выявлять самые незначительные изменения в сигналах и паттернах мозга», ― сказал один из авторов исследования профессор Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных (CDISE) Анджей Чихоцкий (Andrzej Cichocki).

Исследователи Сколтеха примут участие в разработке улучшенных проточных аккумуляторов

Сегодня уже понятно, что без эффективных систем хранения энергии из возобновляемых источников у этого направления нет будущего. Для накопления энергии солнца, ветра, воды и биохимических реакций необходимы новые аккумуляторы повышенной мощности и ёмкости, а также системы для сглаживания нередких в «зелёной» энергетике скачков выработки. Учёные всего мира всё ещё в поиске оптимальных решений. В один из таких проектов вошли исследователи из Сколтеха.

Система резервного хранения энрегии на проточных редокс-батареях

Система резервного хранения энрегии на проточных редокс-батареях

Как сообщает пресс-релиз Сколтеха, группа российских учёных вошла в состав международного исследовательского консорциума, получившего грант Европейской комиссии в размере 4 млн евро на разработку гибридной системы хранения энергии HyFlow.

«В проекте примут участие доцент Сколтеха, главный исследователь Федерико Мартин Ибанес, научные сотрудники Сколтеха Сергей Парсегов и Юрий Люлин, аспирант Сколтеха Михаил Пугач, а также их коллеги из Германии, Чехии, Испании, Италии, Австрии и Португалии». Финансирование проекта продлится три года в период с 2021 по 2023 годы.

Проект HyFlow предусматривает создание гибридной системы хранения и отдачи энергии на основе ванадиевой редокс-батари повышенной мощности. Это проточные аккумуляторы на основе окислительно-восстановительных реакций, ёмкость которых зависит только от объёма запасённого в резервуарах электролита.

Ванадиевые редокс-батари сегодня преобладают в сфере редокс-батарей, но всё ещё не лишены массы детских болезней, включая сравнительно небольшую удельную объемную энергию. Российские учёные с коллегами из других стран намерены значительно улучшить проточные батареи и сначала создать демонстратор мощностью 5 кВт, а затем и оценочный прототип мощностью 300 кВт.

Помимо ванадиевой редокс-батари в систему HyFlow войдут суперконденсаторы для сглаживания колебаний мощности в сети (потребления), а также будут созданы новые преобразователи и уникальная топология, включая систему управления. Кроме того, ванадий в будущих аккумуляторах для систем хранения «зелёной» энергии предложено получать из вторичной переработки, а не из мест добычи ископаемых.

Коллектив Сколтеха, участвующий в проекте

Коллектив Сколтеха, участвующий в проекте HyFlow

«В рамках проекта специалистам Сколтеха предстоит участвовать в решении задач управления энергией в сложной гибридной системе, обеспечивая правильный выбор источников энергии, суперконденсаторов и ванадиевых редокс-батарей. Для этой цели специалисты Сколтеха разработают модели ванадиевых батарей, а также алгоритмы управления выбором источника энергии. Ученым Сколтеха предстоит также сыграть важную роль в улучшении температурных характеристик ванадиевых батарей с целью увеличения их удельной мощности», ― отметил доктор Ибанес.

Суперкомпьютер «Жорес» Сколтеха помог вычислить главные факторы повышения урожайности даже по неполным данным

Исследователи из Сколтеха без полного набора данных о почвах и методах хозяйствования в Черноземье смогли вычислить главные факторы повышения урожайности. В этом им помог суперкомпьютер «Жорес», развёрнутый в Сколтехе два года назад. Предложенный алгоритм обещает оптимизировать выращивание сельскохозяйственных культур даже на основе ограниченных данных о сельскохозяйственной деятельности в определённом регионе.

В своих расчётах учёные использовали данные экспериментальных наблюдений за сезонным севооборотом сахарной свеклы (Beta vulgaris subsp. vulgaris), ярового ячменя (Hordeum vulgare) и сои (Glycine max) в Черноземье в период с 2011 по 2017 год. На основе этих данных и анализа шести основных параметров почвы была проведена калибровка цифровой модели MONICA для расчёта урожайности.

Фактически у учёных была только информация об урожаях и, вероятно, метеорологическая. Что и как происходит в почве: объёмы внесения удобрений, режимы обработки и так далее ― это тайна за семью печатями, хотя для корректного прогнозирования урожаев цифровые модели должны проходить калибровку, в том числе, исходя из состояния почв. Тем не менее, опыт превзошёл ожидания и учёные не только смогли понять, что и как влияет на урожайность в сочетании со многими факторами, но и запустить процесс моделирования с интенсивностью по полмиллиона циклов в час вместо одного вычислительного цикла за день, как это было раньше.

«В нашей стране получение информации о почвах ― крайне сложная проблема. К сожалению, данные о свойствах почв и урожайности не публикуются. Но мы нашли выход из ситуации, настроив суперкомпьютер "Жорес" для решения этой проблемы. Теперь мы можем моделировать все возможные варианты и определять наиболее важные параметры урожайности, не выполняя при этом трудоемких и дорогостоящих операций. Мы надеемся, что наши достижения будут способствовать дальнейшему внедрению цифровых технологий в российском земледелии», ― отметила одна из участниц проекта, старший преподаватель Мария Пукальчик.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Scale Computing и IBM предоставят решения для гибридных облачных сред и периферийных вычислений 22 мин.
Рассмотрение дела против «Яндекса» о расширенных ответах в поиске затягивается 46 мин.
Игроки в The Sims 4 стали затапливать свои дома в дополнении «Загородная жизнь» 58 мин.
Слухи: стало известно, какой контент будет получать Battlefield 2042 в рамках сезонных обновлений 2 ч.
Цукерберг хочет превратить Facebook в сетевую «метавселенную» 2 ч.
Онлайн-кинотеатры не готовы делиться с «Яндексом» критически важной информацией 2 ч.
Свежее обновление для GTA Online привлекло рекордное количество игроков — Rockstar уже подготовила подарки 3 ч.
Бывший владелец первой китайской криптобиржи прогнозирует запрет биткоина в Китае 3 ч.
Microsoft выплатила $13,6 млн исследователям за найденные уязвимости в своих продуктах 3 ч.
«Билайн» и Политех займутся большими данными и машинным обучением 4 ч.
Realme Flash станет первым Android-смартфоном с магнитной беспроводной зарядкой в стиле Apple MagSafe 26 мин.
Иран начал работу над суперкомпьютером следующего поколения производительностью до 100 Пфлопс 33 мин.
Дефицит чипов обвалит продажи Jaguar Land Rover в два раза, но не задержит релизы новинок 50 мин.
LG представила серию беспроводных наушников Tone Free FP с шумоподавлением и приватным «режимом шёпота» 60 мин.
В России стремительно растут продажи смартфонов с поддержкой 5G 2 ч.
Исследователи придумали, как создавать антиматерию в относительно больших объёмах 2 ч.
AOC начнёт выпускать под брендом Agon игровую периферию 2 ч.
Модуль «Пирс» покинул Международную космическую станцию — на его место встанет «Наука» 3 ч.
Первые электромобили Tesla с новыми аккумуляторами 4680 сойдут с конвейера в этом году, но их будет немного 3 ч.
В США протестируют дорогу из магнитного цемента, которая сможет заряжать электромобили на ходу 3 ч.