Зачем на МКС будет создана самая холодная точка во Вселенной?

Зачем на МКС будет создана самая холодная точка во Вселенной?

Квантовая физика любит холод. В частности, макроскопические квантовые явления, вроде сверхпроводимости, сверхтекучести и конденсата Бозе-Эйнштейна встречаются только при достаточно низких температурах. В настоящее время методы охлаждения могут достигать температуры в несколько нанокельвинов, достижение еще более низких температур на Земле связано с определенными трудностями из-за необходимости охлаждать материю под действием земного притяжения. Лаборатория охлаждения атомов NASA появится на МКС в 2016 году, что позволит создать температуру примерно в три раза меньше самой низкой из всех, воссозданных доселе.

Пролить свет на природу квантовой материи (формы материи, в которых макроскопические свойства продиктованы квантовой механикой) — это одна из основных тем за последние полвека в физике, которая собрала девять Нобелевских премий. Примеры: сверхпроводимость, сверхтекучесть, дробный квантовый эффект Холла и конденсаты Бозе-Эйнштейна.

Предположительно новые и неожиданные квантовые эффекты должны быть открыты при более холодных температурах. В частности, эксперименты на спокойном фоне должны предоставить данные о крошечных эффектах, не омраченных тепловым шумом. Ключи к природе пространства и времени, квантовой запутанности, принципу эквивалентности и другим вопросам могут быть скрыты именно в холоде.

Диапазон новых применений достаточно широк, к примеру, потенциальные квантовые датчики на основе атомной интерферометрии длины волны, в которых волновая природа атомов настолько усилена низкими температурами, что они интерферируют между собой.

Как понимать холодную температуру? По температурной шкале Кельвина, нулевая температура — это абсолютный ноль, при котором все классическое движение останавливается. Изменение температуры связывается с одним градусом Кельвина, который равен одному градусу Цельсия.

На пути к сверххолодным температурам есть свои маркеры. У сухого льда температура 195 К, жидкий азот кипит при 77 К, а гелий становится жидким при 4,2 К. Реликтовый микроволновый фон Вселенной отвечает 2,725 К, а в самом холодном месте, известном во Вселенной, в туманности Бумеранга температура в 1 К.

Маркеры хороши, но материя при температуре в 1 пикокельвин в триллион раз холоднее, чем туманность Бумеранга. Огромный скачок, который позволяет ощутить по-настоящему сильный мороз. Как вариант — можно взглянуть на длину волны де Бройля (в примерном квантовом размере) атомы в холодном газе.

При комнатной температуре атом среднего веса имеет длину волны около 0,02 нм, что примерно в 10 раз меньше, чем физический размер атома. Расхождение в размерах объясняет, почему атомные газы вообще не демонстрируют квантовую природу при комнатных температурах. При температуре в 1 К длина волны около 0,3 нм, куда больше, чем разделение атомов в жидкости, и можно наблюдать квантово-механический сверхтекучий гелий, который появляется примерно при такой температуре.

При пикокельвине длина волны составляет примерно 0,3 мм, размером со среднюю песчинку, и значительно больше классического размера атома. Когда квантовые волны отдельных атомов в газе накладываются друг на друга, в системе начинают доминировать квантовые эффекты; в случае атомного газа из бозонов, вы получите конденсат Бозе-Эйнштейна.

Квантовые корреляции, в которых проявляются свойства сверххолодной материи, как правило, довольно слабые и разрушаются тепловыми флуктуациями, тем самым предотвращая формирование конденсированных квантовых фаз. Поэтому квантовые свойства обычно появляются при более низких температурах.

Эксперименты при самых низких температурах на сегодняшний день вовлекают квантовые атомные газы. Чтобы провести такой эксперимент, нужно поймать в ловушку, охладить и испытать коллекцию отдельных атомов. К сожалению, атомные ловушки страдают от предельной температуры, которой можно достичь и от однородности захваченной системы.

Сегодня лучшие ловушки для атомов работают на базе гравитомагнетического баланса. Диамагнитные атомы отталкиваются от магнитных полей, поэтому при размещении градиентного магнитного поля атомы будут опускаться до уровня, в котором сила магнитного взаимодействия будет просто уравновешивать силу тяжести. Гравитомагнетическая ловушка сконструирована таким образом, что магнитное поле меньше в центре ловушки, нежели по краям, поэтому атомы ограничены горизонтальной плоскостью.

Очевидно, что магнитные взаимодействия различных атомов в такой ловушке не однородны, особенно если учесть дефекты в конструкции и работе магнитов ловушки. В результате ни одна система не предлагает к изучению однородный материал, и легче провести анализ его свойств. Кроме того, любые колебания или другие изменения в магнитном поле будут иметь тенденцию заставлять атомы двигаться быстрее, что эквивалентно увеличению температуры. Из-за таких эффектов самая низкая температура квантового атомного газа, достигнутая на сегодняшний день, составляет около 0,45 нК, в рамках эксперимента Массачусетского технологического института.

Лаборатория охлаждения атомов NASA должна сломать температурный барьер и дать возможность провести эксперименты с квантовыми газами на температурах в несколько пикокельвинов. NASA задают глупый, на первый взгляд, вопрос: зачем нам ловушка для сверххолодных экспериментов с атомными газами?

Этот вопрос демонстрирует фундаментальный переломный момент. Если атомы будут достаточно охлаждены, ловушка, возможно, и не понадобится. Обычный эксперимент с пойманными в ловушку атомами проводится в пределах нескольких квадратных миллиметров. С образцом при температуре в 1 К, атомы сбегут из этих пределов за миллисекунду, не оставив ни копейки времени для проведения эксперимента. При температуре в 1 нК атомы будут оставаться в экспериментальных пределах около 5 секунд. При температуре в 1 пК время побега может составить более 3 минут, даже невзирая на взаимодействия между атомами. Высокоточные и значимые эксперименты легко можно будет провести в течение нескольких секунд, тем самым сведя необходимость ловить атомы в ловушку к нулю.

И хотя может быть нет необходимости удерживать атомы при низких температурах (если не считать использование ловушки между экспериментами), остается еще сила тяжести. На Земле атомы разлетелись бы из экспериментального пространства за 25 миллисекунд. Также по мере падения атомы выдают очень много кинетической энергии, что приводит к проблемам.

Какое есть решение при низких температурах? Вывести лабораторию по изучению квантового атомного газа на орбиту. При достаточно низкой температуре ловушки будут не нужны, а также не понадобится устройство для компенсирования силы гравитации.

В результате NASA образно назвало свою лабораторию Cold Atom Lab, и она будет запущена на Международную космическую станцию в 2016 году. Эта лаборатория станет пионером в сфере новых техник и видов анализа, управления и использования пресловутых квантовых явлений при сверхнизких температурах. Это позволит пролить свет на некоторые крайне интересные феномены

Ученые научились предсказывать извержение вулкана

Ученые научились предсказывать извержение вулкана

Группа геологов из США в своих последних исследованиях, опубликованных в журнале Nature, установила, что извержение вулканов можно относительно точно предсказать по анализу магмы, находящейся внутри вулкана.

Авторы исследований изучали следы двух последних извержений вулкана Маунт-Худ, расположенного в скалистых горах. Данные извержения проходили 220 и 1500 лет назад. Магма в расплавленном состоянии находится на глубине 4-5 километров, и ученые пытались выяснить в какой момент времени, в какие именно периоды времени магма бывает жидкая.

Ученые выяснили, что магма плавится при температуре 750 градусов Цельсия, и если температура хоть немного ниже, магма затвердевает, переходя в более плотное состояние, подобно замерзшему маслу, сообщается на сайте latimes.com. Температуру магмы ученые определяли по скорости роста кристаллов и интенсивности диффузии стронция, а возраст с помощью радиоизотопного анализа.

Исследователи определили, что магма под вулканом начала накапливаться еще 20-100 тысяч лет назад, однако на протяжении 88-99 % этого времени она была холодная и вязкая. В жидкое состояние она преобразовывалась лишь перед самим извержением. Такие данные противоречат стандартной теории, при которой в недрах вулкана существует запас расплавленной магмы.

Ученые говорят, что если подобная закономерность подтвердится и у других вулканов, то для предсказания их извержения достаточно следить за состоянием магмы внутри вулкана. Как только магма начинает плавиться, значит в ближайшие недели или месяцы произойдет извержение, но при этом у жителей прилегающих территорий есть достаточное время для эвакуации.

Батарейка размером с зерно риса, показала рекордную ёмкость

Батарейка размером с зерно риса, показала рекордную ёмкость

Очень часто заряд батареи, нужной для тех или иных научных целей, просто не получается уместить в требуемый объём. И это проблема: даже слежение за обычным лососем в воде становится крайне сложным, ибо при прохождении порогов любой наружный прибор может разбиться. В идеале он должен быть внутри организма, но как его туда поместить?

Электроника нужной миниатюрности — давно не проблема, чего не скажешь об аккумуляторах. Чтобы изменить положение, Цзе Сяо (Jie Xiao) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) совместила катод из фторида углерода и анод из лития и затем соединила их ламинированием в очень тонкую «скатку». Получилось что-то вроде цилиндрического «ролла» малого диаметра.

Новая батарея на фоне рисовых зёрнышек (здесь и ниже фото PNNL).

Ну а чтобы иметь максимально высокую внутреннюю площадь батареи (а именно её нехватка не позволяла пиковой мощности микроаккумулятора быть большой), исследовательница свернула слоёную пластину много раз — оборачивая внешние слои вокруг внутренних.


При этом полное внутренне сопротивление батареи за счёт большой рабочей поверхности удалось удержать в разумных пределах. Обычно высокое полное сопротивление является результатом «заторов» в движении электронов внутри батареи, и чем меньше аккумулятор, тем оно выше. Именно поэтому создать маленькие накопители с удельной ёмкостью больших считается почти невозможным.

В данном же случае — за счёт создания аккумулирующего «ролла» — электроны двигались сравнительно свободно, и, несмотря на очень малые размеры, ёмкость на единицу объёма поднялась вдвое выше, чем у устройств-аналогов.

В итоге аккумулятор весит какие-то 70 мг, то есть он в два раза легче нынешних батарей, используемых для подпитки акустических меток, которые применяются биологами для отслеживания той же рыбы. 6-миллиметровая длина и 3-миллиметровая ширина позволяют изделию легко «проникать» в организм не только взрослой рыбы, но и молоди, что раньше и вовсе было недоступно, а ёмкость в 240 Вт•ч/кг (выше, чем у больших литиевых!) даёт возможность долгое время держать метку активной и хорошо различимой даже в окрестностях больших плотин, где звуки турбин обычно мешают «услышать» рыбу.

Акустическая метка с новой микробатарейкой может посылать стандартный сигнал длиной в 744 мс каждые три секунды в течение трёх недель — или же каждые пять секунд на протяжении месяца.

Цзе Сяо со своей супербатарейкой.

Использование фторида углерода позволяет батарее не терять ёмкость даже в очень холодной воде, которую предпочитают лососи, что опять же настоящая находка для ихтиологов, и не только.

Устойчивые к холоду микробатарейки высокой ёмкости могут пригодиться во множестве приложений — от бытовой электроники до малозаметной следящей аппаратуры. Технология уже запатентована.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Scientific Reports (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Александр Березин

Разработано устройство, позволяющее хирургу видеть раковые клетки во время операции

Разработано устройство, позволяющее хирургу видеть раковые клетки во время операции

Когда хирурги проводят операцию по удалению раковых образований, им каждый раз приходится сталкиваться с очень сложной задачей: отделением раковых клеток от здоровых. Чтобы облегчить врачам их работу и при этом повысить эффективность подобных хирургических операций, исследователи из Вашингтонской университетской школы медицины в Сент-Луисе разработали доступное и портативное решение.

Команда ученых создала устройство в форме очков, которые позволяют хирургу видеть подсвеченные синим цветом раковые клетки. Тестовые испытания устройства показали, что устройство делает видимыми бластомы (опухоли) диаметром от 1 миллиметра. Для того, чтобы клетки этих пораженных участков подсвечивались синим цветом, исследователи предлагают применять одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США специальный краситель, который вводится внутрь пораженной области.

Компактная система работает на базе батареек, имеет беспроводную связь, ее легко носить, и, что самое главное, она не занимает руки хирурга. Построены очки на базе системы ночного видения. Они были переоборудованы таким образом, чтобы работать одновременно с ближним инфракрасным светом и при условиях освещения видимым светом. Визуальные данные, получаемые в ближней ИК-области спектра, транслируются прямиком в специальный настраиваемый окуляр.

Беспроводные возможности, позаимствованные у работающего на батарейках радиочастотного видеопередатчика, позволяют системе передавать в режиме реального времени видеокартинку на удаленный компьютер, на экране которого будет отображаться все то, что видит перед собой хирург. Это позволяет другим экспертам оценить то, что происходит во время операции, при необходимости дать анализ показанной картинки и поделиться своей консультационной помощью.

Используемый в этой системе новый окуляр является улучшенной версией устройства, применяемого при методах интраоперационной визуализации. Подобные системы, как правило, очень дорогие, сложные, времязатратные и иногда опасные, особенно в тех случаях, когда требуется применение радиоактивных индикаторов (красителей). Они воздействуют ионизирующим (радиоактивным) излучением не только на пациента, но и на хирурга. Синие красители, используемые для визуализации и восприятия человеческим глазом сигнальных лимфатических узлов, тоже могут иметь побочные действия.

Удаленный пораженный раком лимфатический узел

Описываемое в этой статье устройство было разработано командой ученых под руководством Самуэля Акильфу, доктора рентгенологии и биоинженерии в Вашингтонской университетской школе медицины в Сент-Луисе. В начале февраля торакальный хирург (хирургия органов грудной клетки) и доцент университета Джулия Маргенталер провела операцию с использованием этих очков.

Джулия Маргенталер проводит операцию по удалению раковой опухоли молочной железы

«Только представьте, что такие очки могут избавить от необходимости в проведении дополнительной хирургической операции и избавить пациента от связанных с ней боли, неудобства и волнения», — поделилась она в своем официальном заявлении.

В настоящее время, при проведении операций по удалению опухолей, хирурги практически всегда захватывают и полностью здоровые соседние клетки, не пораженные раком. При этом проводится повторный анализ удаленных здоровых клеток и если они имеют признаки поражения, то требуется проведение второй операции по удалению дополнительных тканей. В свою очередь они тоже требуют проведения анализа. При раке молочной железы примерно 20-25 процентам людей требуется проведение повторной операции. Очки, позволяющие видеть все пораженные клетки, могут избавить пациентов от этой необходимости, так как больные клетки будут полностью удаляться во время первой операции.

Детальная информация о технологии работы этого устройства была недавно опубликована в научном журнале Journal of Biomedical Optics

Телескопу NuSTAR впервые удалось заглянуть в ядро сверхновой

Впервые астрономам удалось заглянуть в сердце взрывающейся звезды в последние минуты ее существования. Это смог сделать космический телескоп жесткого рентгеновского диапазона NuSTAR. Ему удалось сделать снимки радиоактивного титана в останках сверхновой Cassiopeia A, которые стали видны с Земли в тот момент, когда взорвалась звезда в 1671 году.

Подобная работа – основная для миссии NuSTAR, запущенной в июне 2012 года для того, чтобы измерять жесткое рентген-излучение взрывающихся звезд, или сверхновых, и черных дыр, в том числе массивной черной дыры в центре Млечного Пути.

На этой неделе ученые из команды NuSTAR опубликовали статью в журнале Nature. В статье говорится, что ученым удалось создать первую карту титана, исторгнутого из ядра звезды, взорвавшейся в 1671 году. В результате этого взрыва образовались останки сверхновой, известные как Cassiopeia A.


Этот объект уже не раз удавалось запечатлеть на снимках различных телескопов, однако лишь на этом снимке можно разглядеть, как космические осколки сталкиваются с окружающим газом и пылью и нагревают их. Благодаря NuSTAR впервые удалось составить карту жесткого рентген-излучения вещества, созданного прямо в ядре взрывающейся звезды: радиоактивного изотопа титан-44, который сформировался в ядре звезды, когда она сжалась в нейтронную звезду или в черную дыру. Энергия, которая высвободилась в результате коллапса ядра сверхновой, «сорвала» внешние слои звезды, и осколки этого взрыва до сих пор летят со скоростью 5000 километров в секунду.

Ученые надеются, что эта информация помоет астрономам построить трехмерные компьютерные модели взрывающихся звезд, и, в конце концов, понять некоторые загадочные характеристики сверхновых, - такие, как джеты вещества, которые испускают некоторые из них. Например, прежние наблюдения за Cassiopeia A с помощью рентген-телескопа Chandra (Чандра), позволили увидеть кремниевые джеты, которые испускает звезда.

Cassiopeia A находится примерно в 11 000 световых лет от Земли и является одной из самых изученных останков сверхновой. Через 343 года после того, как взорвалась звезда, осколки взрыва распространились на почти 10 световых лет вокруг.

В результате более ранних наблюдений за разогретым от ударной волны железом в осколках некоторые ученые пришли к выводу, что взрыв был одинаково мощным во всех направлениях – симметричным. Однако, последние данные говорят о том, что происхождение железа настолько туманно, что его распространение может и не совпадать с «рисунком» взрыва.

Новая карта титана-44, которая не совпадает с распространением железа в останках, позволяет выдвинуть еще одну гипотезу – о том, что внутри существует холодное железо, которое не видит Chandra. Железо и титан формируются в одном и том же месте звезды, поэтому в осколках взрыва они должны распространяться похожим образом.

В настоящее время NuSTAR продолжает наблюдать за излучением радиоактивного титана-44 из некоторых других останков сверхновых для того, чтобы определить, как развиваются события там. Эти останки сверхновых должны находиться достаточно близко к Земле, чтобы можно было увидеть структуру осколков, и в то же время быть достаточно молодыми, для того, чтобы радиоактивные элементы, такие, как титан, - все еще выделяли жесткое рентген-излучение.

Астрономы увидели облака, которые вращаются вокруг сверхмассивных черных дыр

Астрономы смогли увидеть громадные облака газа, вращающиеся по орбите вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Раньше считалось, что поглощаемое вещество образует относительно равномерное, похожее на туман кольцо. На самом деле, оно формирует скопления, достаточно плотные для того, чтобы периодически затуманивать интенсивное излучение, которое исходит от этих громадных объектов, когда они накапливают и поглощают материю. Этот труд будет опубликован в издании Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Существование таких облаков доказывают данные, которые в течение более 16 лет собирал спутник NASA - Rossi X-ray Timing Explorer, который вращается на низкой околоземной орбите, оснащенный приборами, которые измеряли изменения источников рентген-излучения. Эти источники - активные ядра галактик, ярко светящиеся объекты, которые получают свою энергию от сверхмассивных черных дыр, когда те собирают и уплотняют громадные количества пыли и газа.


Просмотрев данные о 55 активных ядрах галактик, астрофизик университета Калифорнии Алекс Марковитц (Alex Markowitz) и его коллеги обнаружили множество примеров «заглушения» рентген-сигнала время от времени, на периоды от нескольких часов до нескольких лет, в основном тогда, когда облако плотного газа проходило между источником излучения и спутником.

Соавторами доклада были Мирко Крумпе (Mirko Krumpe) из Европейской Южной Обсерватории в Гарчинге, Германия и Роберт Никутта (Robert Nikutta), из университета Андрес Белло в Сантьяго, Чили.

Облака, за которыми они наблюдали, вращаются по орбитам на расстоянии от нескольких световых недель до нескольких световых лет от центра активного галактического ядра. Одно из них, в спиральной галактике NGC 3783, которая находится недалеко от созвездия Центавра, похоже, сейчас находится на полпути к тому, чтобы быть разорванным на части приливными силами.

Ученые впервые определили скорость вращения галактики

Ученые впервые определили скорость вращения галактики

Американские астрономы, используя данные, полученные космическим телескопом «Хаббл», недавно смогли впервые в истории определить скорость вращения галактики. Объектом исследования стало Большое Магелланово Облако (БМО), карликовая галактика, обращающаяся вокруг нашей собственной галактики Млечный Путь.

Руководством данного исследования занимался астроном Роланд ван дер Марель, сотрудник Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе (штат Мэриленд), а также астроном Нитья Кавалиелил, работающий с Университетом Виргинии в Шарлотсвилле.

Группа ученых сосредоточила свое внимание на движение звезд внутри соседней карликовой галактики, а точные данные космического телескопа «Хаббл» позволили исследователям соединить воедино и определить картину скорости вращения Большого Магелланова Облака. Подобное исследование впервые в истории оказалось успешным.

Путем анализа огромного числа звезд, находящихся в центральных частях карликовой галактики, ученые определили, что на полный оборот БМО уходит около 250 миллионов лет. С момента Массового пермского вымирания (одного из самых величайших вымираний всего живого в истории нашей планеты, когда погибло более 90 процентов всех морских видов и более 70 процентов наземных видов позвоночных) эта галактика провернулась всего один раз. Предыдущие исследования показали, что примерно такое же время требуется на один полный оборот Солнца и всей нашей Солнечной системы вокруг ядра Млечного Пути.

Для проведения данного исследования, ученые изучили и подсчитали среднюю скорость более сотни находящихся внутри БМО звезд. Эта задача оказалась относительно простой, так как БМО расположено всего в 170 тысячах световых лет от нас. Для сравнения: диаметр Млечного Пути составляет свыше 100 тысяч световых лет.

карта нашей галактики от NG. (кликабельно).

«Изучение соседней галактики путем слежения за движением ее звезд дает нам лучшее представление о внутреннем строении дисковидных галактик. В свою очередь знание о скорости вращения галактики позволяет не только лучше понять то, как галактика образовалась, но и провести подсчет ее массы», — объясняет Кавалиелил.

«БМО является очень важной в плане изучения, потому что она расположена очень близко к Млечному Пути. Изучение самой галактики Млечный Путь представляется весьма сложной задачей, потому что вы фактически изучаете ее изнутри. Все, что вы видите, ограничивается полем зрения на небе. Все интересующие объекты в ней находятся на разных расстояниях и при этом вы сидите практически в ее середине», — продолжает объяснять Ван Дер Марель.

«Изучать структуру и вращение становится гораздо проще, если предметом исследования является удаленная от вас галактика», — добавляет эксперт.

Полные детали исследования и открытий были недавно опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal.

Видеокамера - снимает ночью, как днём.

Японская компания Komamura уже на протяжении 60 лет занимается производством профессиональных камер. Новой разработкой компании стала камера ночного видения Falcon Eye KC-2000, которая способна делать HD-фотографии и снимать видео практически в полной темноте, в разрешении 1280x720 пикселей и с частотой 30 кадров в секунду. Но самой главной особенностью продукта является то, что, не смотря освещение всего в 0,005 люкса (практически полная темнота), при съёмке  камера получает цветную картинку. Разумеется, картинка при таком низком освещении не будет блистать обилием мельчайших деталей, но по сравнению со съёмкой на камеру с режимом ночного видения у Falcon Eye есть одно неоспоримое преимущество – цвет.

«С помощью этой камеры телевизионные операторы наконец-то смогут снимать ночные сюжеты любой сложности в полном цвете», — гордо заявил журналистам президент компании Тош Комамура.

Falcon Eye KC-2000 полностью защищена от воздействия негативных внешних факторов, таких как вода и грязь. Немаловажной деталью является и тот факт, что видео будет записываться на специальные защищённые от взлома карты памяти, которые можно будет легко использовать в качестве вещественных доказательств чего-либо. Аккумулятор камеры уверенно держит заряд в течение 5 часов, а весь интерфейс взаимодействия с оператором сводится к двум основным кнопкам, так как камера выполняет большую часть настроек автоматически, чтобы не утруждать человека техническими моментами. Внутри установлен сенсор CMOS 2/3" с прогрессивной системой сканирования и 250% динамическим диапазоном.

В видео вы сможете увидеть пример съёмки с камеры Falcon Eye KC-2000, а также сравнить качество видео с записями, которые были сделаны с помощью обычной любительской камеры, а также с использованием профессиональной камеры для ночной съёмки третьего поколения.

Изначально компания Komamura будет продавать Falcon Eye KC-2000 в Японии через сеть местных ритейлеров, и только потом новинка выйдет на международный рынок.
Стоимость камеры и дата начала продаж - пока не объявлены.

Насколько мы близки к созданию полноценного киборга?

Насколько мы близки к созданию полноценного киборга? (перевод)

Мечта о создании киборга с полностью искусственным телом, похоже, скоро станет реальностью. С прогрессом в электронике, нанотехнологиях и точной механике мы сможем всё больше и больше интегрировать машины в собственное тело, чтобы повысить свои возможности. Судя по всему, теперь лишь вопрос времени, когда мы научимся пересаживать человеческий мозг внутрь механического тела.

Терминология
К выходу готовится новый документальный фильм «Невероятный Бионический Человек» (The Incredible Bionic Man). Один из героев данной ленты родился без левого предплечья и сейчас носит бионический протез. Формально, по определению, он киборг. Но лишь частично.

В некоем общекультурном понимании, киборг — это существо с полностью механическим телом. Как минимум, внешней механической оболочкой.
Давайте на секунду задумаемся над самими терминами «бионический» и «киборг». В большинстве случаев они взаимозаменяемы, и оба вошли в оборот в 60-х годах. «Бионический» (bionic) произошёл от biology (биологический) и electronic (электронный). «Киборг» (cyborg) состоит из cybernetic (кибернетический) и organism (организм). Оба термина описывают живые организмы, которые усилены или улучшены с помощью технических приспособлений. Во избежание путаницы, в рамках данной статьи я предлагаю остановиться на термине «киборг».



У многих слово «киборг» вызывает образ Робокопа или Дарта Вейдера. Хотя, конечно, это крайние формы кибернетического организма. Авторы этого термина, Манфред Клайнс (Manfred Clynes) и Нэйтан Кляйн (Nathan S. Kline), определяли его как «замена телесных функций человека для соответствия требованиям окружающей среды». Более того, с этой точки зрения авторы считали применение химических веществ не менее важным средством, как и электроника с механикой. Но в таком контексте можно назвать киборгом и Лэнса Армстронга, пожизненно дисквалифицированного за применение допинга. В любом случае, киборг немыслим без использования механических устройств и приспособлений.

Что мы имеем на сегодня?

Современные научно-технические достижения, накопленные за последние 50 лет, в сумме уже позволяют заменить 60-70% функций человеческого тела. В чём же мы больше всего преуспели бы, задайся целью создать киборга с наименьшим количеством органики?

Конечности

Наибольшего успеха учёные и конструкторы достигли в создании искусственных конечностей. Например, бионический протез i-Limb от компании Touch Bionics с помощью датчиков снимает сигналы с мышц, имеющихся на остатке/рудименте конечности, и интерпретирует как то или иное движение, которое пытается сделать человек.



Однако самой прорывной технологией сегодня является искусственная конечность, управляемая мысленно. В Агентстве оборонных технологий (DARPA) разработали механическую руку, которая подключается к мышечным нервам, так что человек может двигать ею, просто представив, что он двигает собственной рукой. Конечно, в домашних условиях такой протез установить не получится, если у вас нет собственной операционной и нейрохирурга.

Это не единственный проект подобного рода, в начале прошлого года публике была представлена искусственная нога, управляемая по тому же принципу, что и рука от DARPA. Со стороны это выглядит совершенно фантастически. За кадром пока остаются особенности эксплуатации и обслуживания подобного протеза, как и его очень высокая стоимость.

Кости

По нынешним меркам, одна из самых простых искусственных замен в организме. Чаще всего искусственные кости, от больших берцовых до позвонков, изготавливают из титана. Однако успехи в 3D-печати теперь позволяют создавать высокоточные пластиковые замены.



Учёные работают над ещё одним способом усиления скелета. Он заключается не в полной замене конкретной кости, а в её армировании с помощью вспененного полиуретана с добавлением титановой пудры и связующих компонентов. Авторы считают, что благодаря своей пористой структуре армирующий имплантат из подобной «титановой пены» будет обрастать костной тканью, тем самым сильно улучшив механическую прочность кости. Трудно сказать, смогут ли довести эту технологию до практического применения, но в целом идея заслуживает внимания.

Органы

Задача искусственного воспроизведения внутренних органов гораздо сложнее по сравнению с теми же конечностями. Дальше всего мы продвинулись в создании искусственного сердца, причём эта технология постоянно улучшается. Судя по всему, скоро станет возможным создание полноценных искусственных почки и глаза.



Некоторого успеха учёные добились на пути к созданию клеток искусственной печени, однако до воспроизведения самого органа ещё далеко. Ведутся работы и по созданию искусственного кишечника. Кроме всего перечисленного, ждут своих исследователей и искусственные мочевой пузырь, селезёнка, лимфатическая система, желчный пузырь… Не говоря уже о самом сложном органе в человеческом теле…



… о мозге

Пожалуй, это сложнейшая задача. Её можно условно разделить на две части: воспроизведение структуры мозга и разработку искусственного интеллекта. Инженеры неустанно пытаются с помощью суперкомпьютеров повторить нейронную сеть нашего «мыслительного» органа. Например, проект IBM SyNAPSE, моделирующий 530 млрд нейронов (человеческий мозг в среднем содержит 86 млрд). Однако скорость работы подобных компьютерных кластеров несопоставимо медленнее. SyNAPSE отстаёт в 1500 раз от настоящего мозга. Программному симулятору Spaun, запущенному на суперкомпьютере в Университете Ватерлоо, понадобилось 2,5 часа для симуляции 1 секунды активности человеческого мозга.

Другим подходом может стать ограничение размера искусственной нейронной сети ради увеличение быстродействия. В качестве примера выступает специализированный компьютер Neurogrid. Он содержит 16 чипов, каждый из которых представляет собой 65 тыс. «нейронов». Потребляет эта малютка всего лишь 5 Вт (IBM Blue Gene/Q Sequoia потребляет 8 МВт). Около 80 настраиваемых параметров позволяют моделировать различные виды нейронов. Для связи между ними используется цифровой сигнал, а для вычислений — аналоговый. По утверждению разработчиков, Neurogrid, эмулирующий работу всего лишь 1 млн нейронов, при простых вычислениях по быстродействию сравним с настоящим мозгом.

Конечно, само по себе воспроизведение нейронной сети ещё не сделает её искусственным мозгом. Нужно научить её «думать». Сложность задачи по созданию искусственного интеллекта сложно переоценить, это один из крупнейших вызовов современной науки. Небольшие подвижки в этом направлении есть, среди широкой общественности наиболее известна Siri в продукции Apple. Однако многие учёные сомневаются в том, что создание искусственного интеллекта, сравнимого с человеческим, в принципе достижимо при современном уровне развития науки и техники.

В сухом остатке

В рамках этой статьи вопрос о создании искусственного мозга имеет лишь умозрительный характер. Ведь существо (машина?) с таким органом уже не может называться киборгом по определению. Поэтому, просуммировав всё вышесказанное, целесообразно упростить задачу. Поставим вопрос так: «Насколько мы близки к созданию киборга с живым мозгом и полностью искусственным телом»? В целом, технологически, в ближайшие 20 лет вряд ли стоит ожидать появления первых «цельномеханических» киборгов.

Существует и иная точка зрения. В соответствии с ней будущие полноценные киборги будут иметь не искусственное тело, а органическое, но выращенное в лабораторных условиях. Причём это тело будет иметь целый ряд улучшений по сравнению с «обычными» людьми. Однако здесь возникает целый ряд вопросов. В первую очередь: как называть таких существ?

Важным аспектом в создании полноценного киборга является наша социальная и этическая неготовность к принятию этого события. Посмотрите, например, как тяжело проникает в общество идея клонирования. Создание людей с механическим телом, а особенно с улучшенным биологическим, многими будет расценено как присвоение человеком божественной роли "создателя". У этого мнения будет немало сторонников, и, возможно, понадобится не одно десятилетие для сглаживания социального и религиозного неприятия.

Сегодня мы находимся в самом начале развития биотехнологий. Сегодня очень трудно предсказать, каким будет (и будет ли) киборг будущего. Вероятнее всего, механическое тело будут делать максимально похожим на настоящее. Так что образ Робокопа так и останется не воплощённой в жизнь кинофантазией.
http://habrahabr.ru/post/208850/

Можно ли вернуть зрение с помощью лекарств?

Можно ли вернуть зрение с помощью лекарств?

Если обработать ганглионарные клетки сетчатки специальным веществом, их можно научить чувствовать свет, подобно настоящим фоторецепторам.

Фоторецепторы глаза, палочки и колбочки, с возрастом и при некоторых болезных портятся и отмирают, и в большинстве случаев всё, что тут можно сделать, — это по возможности замедлить процесс. Восстановить же зрение вряд ли возможно, потому что рецепторы погибают необратимо.

В последнее время, однако, успехи науки заставляют поверить, что от слепоты, вызванной гибелью клеток сетчатки, всё же можно будет избавиться. Понятно, какие тут могут быть варианты решения: с одной стороны, нейроэлектронные протезы сетчатки (которые уже успешно применяются), а с другой — стволовые клетки, способные превратиться в новые фоторецепторы. Метод на основе стволовых клеток пока только разрабатывается, однако результаты вселяют определённые надежды: такие клетки успешно приживаются у человека и даже позволяют слегка улучшить зрение.

Ганглионарный слой сетчатки: ганглионарные клетки окрашены оранжевым, волокна зрительного нерва — красным, кровеносные сосуды — синим, глиальные клетки — зелёным. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

Возможен и третий путь: надо лишь заставить другие клетки сетчатки почувствовать свет. Видов клеток в сетчатке много, и собственно фоточувствительные рецепторы составляют лишь часть её. Некоторое время назад Ричард Краймер (Richard H. Kramer) из Калифорнийского университета в Беркли (США) задумался над тем, нельзя ли научить чувствовать свет ганглионарные клетки. Эти клетки через посредников принимают зрительный сигнал от фоторецепторов и передают его непосредственно в мозг, но сами по себе свет не чувствуют.

Два года назад исследователям удалось найти вещество, которое делало ганглионарные клетки сетчатки чувствительными к свету — правда, только к ультрафиолетовому. Но вот в новой статье, опубликованной в Neuron, г-н Краймер и его коллеги сообщают, что сумели настроить ганглионарные клетки на обычный белый свет.

Вводя в глаз невидящим крысам вещество под названием DENAQ, учёные добились, что животные стали реагировать на свет так же, как и зрячие особи. Правда, сами авторы работы оговариваются, что пока не знают, видят ли вылеченные крысы окружающий мир в каких-то подробностях или просто отличают свет от тьмы.

Важно, что это вещество никак не вредило здоровым фоторецепторам сетчатки, то есть в перспективе его можно использовать при частичных повреждениях сетчатки и не бояться побочных эффектов. Впрочем, до клинического применения метода ещё далеко: предстоит выяснить не только то, до какой степени тут возвращается зрение, но и сработает ли такой способ на человеческом глазу.

Подготовлено по материалам NewScientist.

Кирилл Стасевич