2.3. Интеллектуальная техника
Исследователи постоянно сообщают о новых технологических решениях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.
В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.
Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи – продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров (рис. 2.20).
а
б
Рис. 2.20. Новая печатная схема Xerox:
а – организация поведения стаи термитов; б – конструкция печатной схемы
Морские существа, такие как осьминог, кальмар и каракатица обладают высокоразвитой способностью к мимикрии. Их кожа обладает некоторыми примитивными оптическими механизмами, которые позволяют ей изменять свой цвет, приспосабливаясь к общему фону окружающей среды. Основой этого естественного камуфляжа являются светочувствительные белки, подобные белкам, находящимся в глазах существ, которые позволяют им «видеть» сквозь свою кожу.
Управление научных исследований ВМФ США (Office of Naval Research) проводит реализацию программы «Project Squid Skin». В рамках этой четырехлетней программы выделено финансирование в размере 6 миллионов долларов ученым из университета Райс и Морской биологической лаборатории в Вуудс Холе (Marine Biological Laboratory in Woods Hole), работающим в направлениях нанотехнологий и морской биологии. Конечной целью программы является создание «умного» камуфляжа для военных на основе метаматериалов, структура которых позаимствована у морских обитателей.
Согласно исследованиям Наоми Халас (Naomi Halas), профессора нано-оптики в университете Райсе и научного руководителя проекта, камуфляж на основе метаматериалов будет полностью адаптивным и самостоятельно приспосабливающимся к меняющимся условиям окружающей среды. Листы этих метаматериалов, имеющих упорядоченные наноструктуры на поверхности, смогут изменять свой цвет так быстро, как это происходит на экране высококачественного телевизора. В состав этих материалов будут входить также светочувствительные наночастицы и внутренняя система, обрабатывающая поступающую информацию.
В IBM считают, что в течение ближайших десяти лет бионика будет развиваться и укрепляться, пока не займёт свою нишу в эпоху современной технологии. Движущей силой здесь выступает резко возросшая популярность энергосбережения.
В ходе эволюции энергетический баланс каждого живого существа оптимизировался на основе естественного отбора. Организм, который достигал тех же результатов при вдвое меньшем потреблении пищи, имел неоспоримое преимущество.
Техника начинает подчиняться этим правилам и движется в сторону оптимизации энергопотребления. Бионика вошла не только в hardware (хардвер), но и в программное обеспечение. За основу принципиальных перемен предполагается взять человеческий мозг, в котором процессы происходят параллельно.
Каждые полтора года число транзисторов на компьютерном чипе удваивается, а это значит, что вместе с вычислительной мощностью растёт и отдача тепла. Технологи систем охлаждения практически столкнулись с пределом своих возможностей.
Тогда специалисты сравнили компьютер с человеком и выяснили, что энергобаланс машины просто разорителен: она в 100000 раз менее энергоэффективна по сравнению с телом человека. Специалисты IBM, работавшие над этой проблемой, взяли за прототип человека, чтобы «отучить» компьютер от растрачивания электричества.
Была развита система охлаждения, копирующая циркуляцию крови в человеческом организме. Кровь течёт через аорту в артерии, а оттуда поступает в капилляры и растекается по всему телу. Эта система оптимизирует так называемый транспорт массы. Кровь должна доставлять мышцам кислород и сахар, которые преобразуются в энергию. Благодаря своей иерархической структуре кровоток осуществляет транспортную функцию в высшей степени эффективно.
Технологи IBM перенесли строение системы кровотока на охлаждение процессоров: благодаря иерархической структуре можно переносить не только массу, но и термическую энергию, тепло. При охлаждении необходимо максимально увеличить площадь поверхности, вступающую в контакт с водой. При этом следует максимизировать скорость жидкости, но минимизировать давление, так чтобы сократить количество энергии, необходимой для приведения системы охлаждения в действие.
Для этого специалисты построили систему следующим образом: она напоминает систему артерий и капилляров. Огромное количество водных «капилляров» обеспечивает доступ воды к максимальной площади чипа, при этом скорость воды в них довольно велика, а давление наоборот (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Охлаждение чипов с помощью техники кровотока
Новая технология позволила повысить эффективность системы охлаждения на 40%, а также принесла ряд дополнительных преимуществ. К примеру, нагретую на чипе воду можно использовать в других целях, в частности, для отопления помещений. Инженеры IBM считают, что их разработка может быть запущена в серийное производство, и сравнивают её с Формулой-1: сначала новые технологии испытываются на дорогой уникальной технике, а уже затем, когда проект зарекомендовал себя, запускаются в массовое производство.
Это разработанные в институте прикладной оптики и тонкой механики в Йене суперплоские камеры. Скопированные с фасеточных глаз насекомых плоские объективы имеют толщину 0,2 миллиметра. Исследователям понадобилось три года, чтобы скопировать созданные за миллионы лет эволюции фасеточные глаза мухи.
При этом исследователи полностью ориентировались на природный образец: глаз насекомого состоит из отдельных линз, от сотен до десятков тысяч в зависимости от размера глаза. Каждая из этих линз переносит получаемый свет на принадлежащий ей одной рецептор, а уже в мозгу мухи из многих отдельных изображений складывается единая картинка. Йенский продукт тоже состоит из многочисленных палочкообразных микролинз, которые передают свет на сенсоры CCD или CMOS, установленные во всех цифровых камерах.
Однако, для цифровых камер суперплоские объективы не подходят: их расширение ограничено, поскольку каждому пикселю изображения нужна отдельная линза. Зато значительный интерес к новой разработке проявила автомобильная промышленность.
При помощи плоских камер можно осуществить огромное количество мер безопасности, к примеру, установить детектор сна, который включает тревогу, когда водитель начинает «засыпать». Или сенсоры, регистрирующие положение человека в кресле: если водитель или пассажир сидит, наклонившись вперёд или в сторону, соответствующее положение придаётся и направлению выброса подушки безопасности.
Физики из Университета Билефельда (Германия) сконструировали небольшую катадиоптрическую систему с углом поля зрения в 280 градусов, имитирующую глаз осы.
Катадиоптрическими принято называть те системы, которые содержат элементы, отражающие и преломляющие свет. В их состав входят и зеркала, и линзы.
В своей схеме исследователи предусмотрели две оптические траектории. Внешняя часть изображения формируется с помощью выпуклой отражающей поверхности, а центральная область камеры собирает лучи через линзы. Система, масса которой не превышает 40 граммов, соединяется с USB-камерой с КМОП-матрицей. Камера обеспечивает съёмку с частотой до 80 кадров в секунду с разрешением по вертикали в 480 пикселей.
Полученные изображения «сшиваются» и преобразуются специальной программой, которая тратит на редактирование одного кадра 10 миллисекунд при работе на компьютере, оснащённом процессором Core 2 Duo T7500 с тактовой частотой 2,2 гигагерца. Такой уровень быстродействия и общая простота конструкции позволят устанавливать подобные камеры на небольших беспилотных летательных аппаратах и других роботах.
Система должна дорабатываться, поскольку необходимо увеличить степень её сходства с глазом осы. Необходимо, к примеру, решить вопрос съёмки в УФ-диапазоне. У ос есть три типа фоторецепторов с максимумами чувствительности в области 340 (ближний ультрафиолет), 450 (синий цвет) и 540 (зелёный цвет) нанометров.
Японские ученые разработали первый в мире прототип искусственного разума. Синтетический интеллект способен обрабатывать гигантское количество информации.
Однако вживлять мозг роботам и давать им возможность мыслить самостоятельно исследователи пока опасаются.
Роботы уже умеют очень многое из того, что делает их похожими на людей: ходить и бегать на двух ногах, различать лица, поддерживать диалог, выполнять просьбы, но по сути это пока лишь подобные человеку компьютеры.
Ученым из японского Национального института по исследованию материи совместно с международной группой ученых удалось создать искусственный интеллект. После того, как технология биомолекулярного вычисления будет реализована на практике, машины получат то, что на сегодняшний день свойственно только человеку – способность к творчеству в самом широком понимании.
Новый способ обработки информации по принципу напоминает работу человеческого мозга. В голове каждого человека миллионы нейронов постоянно взаимодействуют друг с другом, одновременно обрабатывая такое количество информации, с которой не справился бы ни один суперкомпьютер.
Принцип новой технологии заключается в том, что информация между частицами передается только в одном направлении и каждой молекулы этих направлений может быть до трех сотен.
В основу принципа функционирования заложено сканирующее устройство в форме острия, которое кажется неподвижными, но на самом деле оно двигается, считывая информацию с носителя. Размер носителя этой информации составляет всего один нанометр, а молекулы работают как клетки мозга. На мониторе компьютера их можно наблюдать в трехмерном изображении. Новая технология позволит решать те задачи, которые были недоступны нынешним вычислительным системам.
Диагностика и лечение онкологических заболеваний – та сфера, где эти разработки, прежде всего, планируется применять. Исследователь Субрата Гхош отметила: «Наша следующая цель – создание программируемых молекулярных систем, которые будут вводиться непосредственно внутрь раковых клеток и трансформировать их в здоровые». По замыслу создателей, искусственный разум должен повторить эволюцию от простейших одноклеточных до самостоятельно думающих высокоорганизованных структур.
Контрольные вопросы
В чем особенности бионических моделей?
Какие примеры использования в технике природных конструкций и форм?
Какие бионические прототипы послужили совершенствованию технических инструментов?
Какие природные принципы движения используются в технике?
Какие новые технические решения предложили исследователи морских животных?
Как бионика способствует развитию робототехники?
В чём заключается связь термина «интеллектуальная техника» с бионикой?
Какие технологические решения, опираются на «интеллектуальный потенциал» природы?