Příliš mnoho hluku na pozadí obvykle narušuje vaši práci. Ale fyzici dokázali něco neuvěřitelného: vyvinuli se
Jak fungují konvenční a mikroskopické motory?
V každodenním životě lidépoužívat motory a motory, které spotřebovávají palivo pro usměrněný pohyb a vykonávají tak užitečnou práci. V mikroskopickém světě je všechno složitější. Tam může hluk v podobě tepla vše pokazit.
Tepelný hluk v okolí způsobujeSoučásti malých aut se „houpou neustále tam a zpět,“ vysvětlují vědci. Výsledkem je, že maličký motor nepracuje tak efektivně, jak by mohl.
A co informační motory?
Existuje speciální rodina mikroskopickýchstroje známé jako informační stroje, které využívají hluk k řízení cíleného pohybu. Používají tyto informace a posilují „správné“ manipulace se strojem. Jednoduše řečeno, informační stroj je stroj, který převádí informace na práci.
Fyzikům a inženýrům se to bude hoditmalé motory k vývoji nových mikroskopických strojů pro nanotechnologické aplikace. Hlavní je vyvinout je tak, aby nahradily konvenční stroje.
Autoři nové studie tuto práci posunuli dále. Dozvěděli se více o tom, jak lze informace využít v biomolekulárních strojích.
Co vědci udělali?
Vědci sestrojili informační strojpomocí mikroskopických skleněných kuliček velikosti bakterií suspendovaných ve vodě. Míč je držen volně na místě laserovým paprskem, který pod ním funguje jako podpěra. Molekuly vody zároveň jemně tlačí míček díky přirozeným tepelným vibracím v kapalině. Čas od času se „zatřese“.
A tady je trik:Když kulička stoupá proti gravitaci vlivem tepelných vibrací, mění se i poloha laserové podpory. V této poloze má míč více uložené nebo gravitační potenciální energie. Jako míč, který se chystá spadnout.
Schematický informační engine. (a) Hlukový detektor měří polohu y koule skutečně umístěného v
bod x. Mechanismus založený buď na (b) hlučném měření polohy y nebo (c) Bayesovském odhadu polohy X̂ (modrý tečkovaný kruh). Credit: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Vědci ani nemuseli objekt „zvednout“;k tomu došlo přirozeně díky vibracím molekul vody. Motor tedy přeměňoval teplo vody na uloženou gravitační potenciální energii pomocí zpětné vazby o pohybu míče k úpravě laserové pasti. "Rozhodnutí o tom, zda a jak moc zvednout past, závisí na informacích, které shromáždíme o poloze perličky." Funguje jako „palivo“ pro motor,“ vysvětlují vědci.
Jaká je obtížnost?
Takto systém funguje, ale správně jej implementovatTato strategie je obtížná, pokud je v systému příliš mnoho šumu měření. Vzniká jasem laserového paprsku, který se používá k detekci míče. V takových případech může být nejistota jeho polohy pro každé měření větší než pohyb objektu způsobený oscilujícími molekulami vody. šum měření vede k chybné zpětné vazbě a tím ke snížení produktivity.
Typické využití informačních mechanismůzpětnovazební algoritmy, které zakládají rozhodnutí na posledním měření polohy míče. Ale mohou se mýlit, když jsou chyby měření příliš velké Vědci chtěli zjistit, zda existuje způsob, jak tento problém obejít.
Existuje nějaké řešení?
Vyvinuli algoritmus zpětné vazby, kterýje založeno nejen na přímém měření poslední polohy míče (které může být nepřesné), ale na všech předchozích měřeních. Tento filtrační algoritmus proto bere v úvahu chyby měření při provádění Bayesiánského odhadu.
In Matematická statistika a teorie akceptaceBayesovský rozhodovací estimátor je statistický odhad, který minimalizuje pozdější očekávání ztrátové funkce. Zjednodušeně řečeno maximalizuje posteriorní matematické očekávání funkce užitku. Připomeňme, že posteriorní pravděpodobnost je podmíněná pravděpodobnost náhodné události za předpokladu, že jsou známa zadní data, tedy získaná po určité zkušenosti.
Tedy spojením množiny hlučnýchměření pomocí dynamického modelu míče je možné získat přesnější odhad jeho skutečné polohy. Tím se výrazně sníží ztráty výkonu.
"Bayesovský" kompromis
V rámci studie vědci jednoznačněukázal, že informační stroj, který aplikuje zpětnou vazbu na základě těchto Bayesovských odhadů, funguje výrazně lépe než konvenční informační stroje, když jsou chyby měření příliš velké. Většina typických informačních motorů se v tomto případě jednoduše zastaví.
To vědce překvapilo.Když chyby měření překročí kritickou hranici, naivní stroj již nefunguje jako čistě informační stroj. "Nejlepší strategií pro ni je prostě to vzdát a nedělat nic," píší vědci. Ale Bayesovský model dělá svou práci bez ohledu na velikost chyby měření, i když malé.
Výkon informačních strojů.(a) Naivní (červená) a Bayesovská (modrá) datový výkon motoru. Duté červené značky označují výstupní výkon, když α je 0. (b) Rozdíl v rychlosti extrahování výstupní práce pro bayesovské a naivní motory, odstupňovaný podle maximální rychlosti.
Credit & Copyright: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Samozřejmě pro schopnost BayesianuInformační stroj musí „zaplatit“ za extrakci energie i při velkých chybách měření. Protože takový mechanismus využívá informace ze všech předchozích měření, vyžaduje více úložného prostoru a času na zpracování informací.
A to je logické.Minimalizace chyb měření zvyšuje nejen práci extrahovanou z oscilací, ale také náklady na zpracování informací. V důsledku toho vědci našli ideální rovnováhu – maximální účinnost na střední úrovni chyby měření, kdy lze dosáhnout dobré úrovně těžby energie. Zároveň nevznikají žádné náklady na zpracování dat.
Nyní vědci zkoumají, jak bude chod motoru ovlivňovat hluk, který vzniká z jiných faktorů než z tepla.
Přečtěte si více:
Proč Měsíc a ne Mars: hlavní věc o misi Artemis-1 a proč je to potřeba
Starověký amulet přepsal historii nejzáhadnějšího evropského jazyka
Hlavní teorie o původu člověka byla vyvrácena: odkud jsme přišli