For meget baggrundsstøj forstyrrer normalt dit arbejde. Men fysikere gjorde noget utroligt: de udviklede sig
Hvordan fungerer konventionelle og mikroskopiske motorer?
I hverdagen menneskerbruge motorer og motorer, der forbruger brændstof til rettet bevægelse og dermed udfører nyttigt arbejde. I den mikroskopiske verden er alt mere kompliceret. Der kan støj i form af varme ødelægge alt.
Termisk støj i miljøet forårsagerKomponenterne i små biler "gynger frem og tilbage hele tiden," forklarer forskerne. Som følge heraf fungerer den lille motor ikke så effektivt, som den kunne.
Hvad med informationsmotorer?
Der er en særlig familie af mikroskopiskemaskiner kendt som informationsmotorer, som bruger støj til at drive målrettet bevægelse. De bruger denne information og forstærker de "korrekte" manipulationer af maskinen. Enkelt sagt er en informationsmotor en maskine, der konverterer information til arbejde.
Fysikere og ingeniører vil finde disse nyttigesmå motorer til at udvikle nye mikroskopiske maskiner til nanoteknologiske applikationer. Det vigtigste er at udvikle dem, så de erstatter konventionelle maskiner.
Forfatterne af den nye undersøgelse har taget dette arbejde videre. De lærte mere om, hvordan information kan bruges i biomolekylære maskiner.
Hvad har forskerne gjort?
Forskere har bygget en informationsmotorved hjælp af mikroskopiske glasperler på størrelse med bakterier suspenderet i vand. Bolden holdes løst på plads af en laserstråle, der fungerer som en støtte under den. Samtidig skubber vandmolekyler forsigtigt bolden på grund af naturlige termiske vibrationer i væsken. Fra tid til anden "ryster han".
Og her er tricket:Når bolden rejser sig mod tyngdekraften på grund af termiske vibrationer, ændres positionen af laserstøtten også. I denne position har bolden mere lagret eller gravitationel potentiel energi. Som en bold, der er ved at falde.
Skematisk informationsmotor. (a) Støjdetektoren måler positionen y af bolden, der faktisk er placeret i
punkt x. En mekanisme baseret på enten (b) en støjende positionsmåling y eller (c) et Bayesiansk positionsestimat X̂ (blå prikket cirkel). Credit: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Forskere behøvede ikke engang at "løfte" objektet;dette skete naturligt på grund af vandmolekylernes vibrationer. Således konverterede motoren varmen fra vandet til lagret tyngdekraftspotentialenergi ved at bruge feedback om boldens bevægelse til at justere laserfælden. "Beslutningen om, hvorvidt og hvor meget fælden skal hæves, afhænger af den information, vi indsamler om perlens placering. Det fungerer som "brændstof" til motoren," forklarer videnskabsmænd.
Hvad er vanskeligheden?
Sådan fungerer systemet, men for at implementere det korrektDenne strategi er svær, hvis der er for meget målestøj i systemet. Den skabes af lysstyrken af laserstrålen, der bruges til at detektere bolden. I sådanne tilfælde kan usikkerheden på dens position for hver måling være større end objektets bevægelse forårsaget af de oscillerende vandmolekyler. Som et resultat heraf, målestøj fører til fejlagtig feedback og reducerer dermed produktiviteten.
Typisk brug af informationsmekanismerfeedback-algoritmer, der baserer beslutninger på den sidste måling af boldens position. Men de kan tage fejl, når målefejlene er for store. Forskere ville bare finde ud af, om der var en måde at omgå dette problem.
Er der en løsning?
De udviklede en feedback-algoritme, derer ikke kun baseret på en direkte måling af boldens sidste position (som kan være unøjagtig), men på alle tidligere målinger. Denne filtreringsalgoritme tager derfor højde for målefejl, når der udføres Bayesiansk estimering.
I matematisk statistik og acceptteoriBayesiansk beslutningsestimator er en statistisk estimator, der minimerer den bageste forventning om tabsfunktionen. Enkelt sagt maksimerer den den bageste matematiske forventning til nyttefunktionen Lad os huske på, at posterior sandsynlighed er den betingede sandsynlighed for en tilfældig hændelse, forudsat at posteriore data, det vil sige opnået efter nogen erfaring, er kendt.
Således ved at kombinere et sæt af støjendemålinger ved hjælp af bolddynamikmodellen, er det muligt at genvinde et mere nøjagtigt estimat af dens sande position. Dette vil reducere ydeevnetab betydeligt.
"bayesiansk" kompromis
Som en del af undersøgelsen, videnskabsmænd klartviste, at en informationsmotor, der anvender feedback baseret på disse Bayesianske estimater, yder væsentligt bedre end konventionelle informationsmotorer, når målefejlene er for store. De fleste typiske informationsmotorer vil simpelthen stoppe i dette tilfælde.
Dette overraskede forskerne.Når målefejl overstiger en kritisk tærskel, fungerer den naive maskine ikke længere som en ren informationsmaskine. "Den bedste strategi for hende er simpelthen at give op og ikke gøre noget," skriver forskerne. Men den bayesianske model klarer opgaven uanset størrelsen af målefejlen, omend den er lille.
Informationsmotorers ydeevne.(a) Naiv (rød) og Bayesiansk (blå) datamotoreffekt. Hule røde markører angiver udgangseffekt, når α er 0. (b) Forskel i udvindingshastigheden for udvindingsarbejde for Bayesianske og naive motorer, skaleret efter maksimal hastighed.
Kredit og ophavsret: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Selvfølgelig har den bayesianske informationsmotors evne til at udvinde energi selv med store målefejl en pris.Da en sådan mekanisme bruger oplysninger fra alle tidligere dimensioner, kræver det mere lagerplads og mere tid til at behandle oplysningerne.
Minimering af målefejl øger ikke kun det arbejde, der ekstraheres fra udsvingene, men også omkostningerne ved behandling af informationen .I sidste ende fandt forskerne den perfekte balance - maksimal effektivitet på et mellemliggende niveau af målefejl, når et godt niveau af energiudnyttelse kan opnås.Samtidig er der ikke behov for at behandle dataene.
Forskere undersøger nu, hvordan motorens ydeevne vil blive påvirket af den støj, der opstårIkke på grund af varmen, men på grund af andre faktorer.
Læs mere:
Hvorfor månen og ikke Mars: det vigtigste ved Artemis-1-missionen, og hvorfor det er nødvendigt
En gammel amulet omskrev historien om Europas mest mystiske sprog
Hovedteorien om menneskets oprindelse blev tilbagevist: hvor kom vi fra