Per didelis foninis triukšmas paprastai trukdo jūsų darbui. Tačiau fizikai padarė kai ką neįtikėtino: jie sukūrė
Kaip veikia įprasti ir mikroskopiniai varikliai?
Kasdieniame gyvenime žmonėsnaudoti variklius ir variklius, kurie sunaudoja degalus nukreiptam judėjimui ir taip atlieka naudingus darbus. Mikroskopiniame pasaulyje viskas yra sudėtingiau. Ten triukšmas šilumos pavidalu gali viską sugadinti.
Šiluminis triukšmas aplinkoje sukeliaMažų automobilių komponentai „visą laiką siūbuoja pirmyn ir atgal“, aiškina mokslininkai. Dėl to mažas variklis neveikia taip efektyviai, kaip galėtų.
O informacijos varikliai?
Yra speciali mikroskopinių šeimamašinos, žinomos kaip informacijos varikliai, kurios naudoja triukšmą tikslingam judėjimui. Jie naudojasi šia informacija, sustiprindami „teisingas“ mašinos manipuliacijas. Paprastais žodžiais tariant, informacijos variklis yra mašina, kuri informaciją paverčia darbu.
Fizikams ir inžinieriams tai bus naudingamažyčius variklius, skirtus naujoms mikroskopinėms nanotechnologijų reikmėms skirtoms mašinoms kurti. Svarbiausia juos sukurti taip, kad jie pakeistų įprastas mašinas.
Naujojo tyrimo autoriai tęsė šį darbą. Jie sužinojo daugiau apie tai, kaip informacija gali būti panaudota biomolekulinėse mašinose.
Ką padarė mokslininkai?
Mokslininkai sukūrė informacijos variklįnaudojant mikroskopinius stiklinius karoliukus, kurių dydis prilygsta vandenyje suspenduotoms bakterijoms. Rutulys yra laisvai laikomas lazerio spinduliu, kuris veikia kaip atrama po juo. Tuo pačiu metu vandens molekulės švelniai stumia rutulį dėl natūralių šiluminių virpesių skystyje. Kartkartėmis jis „supurto“.
Ir čia yra triukas:Kai rutulys pakyla prieš gravitaciją dėl šiluminių virpesių, keičiasi ir lazerio atramos padėtis. Šioje padėtyje rutulys turi daugiau sukauptos arba gravitacinės potencialios energijos. Kaip rutulys, kuris tuoj nukris.
Scheminis informacijos variklis. (a) Triukšmo detektorius matuoja rutulio, esančio , padėtį y
taškas x. Mechanizmas, pagrįstas (b) triukšmingu padėties matavimu y arba (c) Bajeso padėties įvertinimu X̂ (mėlynas taškuotas apskritimas). Kreditas: Fizinės apžvalgos laiškai (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Mokslininkams net nereikėjo „kelti“ objekto;tai atsitiko natūraliai, dėl vandens molekulių virpesių. Taigi variklis vandens šilumą pavertė sukaupta gravitacine potencialo energija, naudodamas grįžtamąjį ryšį apie rutulio judėjimą, kad sureguliuotų lazerio gaudyklę. „Sprendimas, ar ir kiek kelti spąstus, priklauso nuo mūsų sukauptos informacijos apie karoliuko padėtį. Jis veikia kaip variklio „degalai“, – aiškina mokslininkai.
Koks sunkumas?
Taip sistema veikia, bet teisingai ją įgyvendintiŠi strategija yra sudėtinga, jei sistemoje yra per daug matavimo triukšmo. Jį sukuria lazerio spindulio ryškumas, kuriuo aptinkamas rutulys. Tokiais atvejais jo padėties neapibrėžtis kiekvienam matavimui gali būti didesnė nei objekto judėjimas, kurį sukelia svyruojančios vandens molekulės. Dėl to matavimo triukšmas sukelia klaidingą grįžtamąjį ryšį ir taip sumažina našumą.
Naudojami tipiški informacijos mechanizmaigrįžtamojo ryšio algoritmai, kurie priima sprendimus pagal paskutinį rutulio padėties matavimą. Tačiau jie gali klysti, kai matavimo paklaidos yra per didelės.Mokslininkai tiesiog norėjo išsiaiškinti, ar yra būdas išvengti šios problemos.
Ar yra sprendimas?
Jie sukūrė grįžtamojo ryšio algoritmąyra pagrįstas ne tik tiesioginiu paskutinės rutulio padėties matavimu (kuris gali būti netikslus), bet ir visais ankstesniais matavimais. Todėl šis filtravimo algoritmas, kai atlieka Bajeso įvertinimą, atsižvelgia į matavimo klaidas.
Matematinės statistikos ir priėmimo teorijojeBajeso sprendimų įvertinimo priemonė yra statistinis įvertis, kuris sumažina nuostolių funkcijos posteriorinius lūkesčius. Paprasčiau tariant, jis maksimaliai padidina užpakalinį matematinį naudingumo funkcijos lūkestį.Prisiminkime, kad užpakalinė tikimybė yra sąlyginė atsitiktinio įvykio tikimybė, su sąlyga, kad yra žinomi posterioriniai duomenys, tai yra, gauti po tam tikros patirties.
Taigi, derinant triukšmingų rinkinįmatavimai naudojant rutulio dinamikos modelį, galima atgauti tikslesnį jo tikrosios padėties įvertinimą. Tai žymiai sumažins našumo nuostolius.
„Bajesiškas“ kompromisas
Kaip tyrimo dalis, mokslininkai aiškiaiparodė, kad informacijos variklis, kuris taiko grįžtamąjį ryšį pagal šiuos Bajeso įverčius, veikia žymiai geriau nei įprasti informacijos varikliai, kai matavimo paklaidos yra per didelės. Dauguma tipiškų informacijos variklių tokiu atveju tiesiog sustos.
Tai nustebino mokslininkus.Kai matavimo paklaidos viršija kritinę ribą, naivi mašina nebeveikia kaip vien informacinė mašina. „Geriausia strategija jai yra tiesiog pasiduoti ir nieko nedaryti“, – rašo tyrėjai. Tačiau Bajeso modelis atlieka darbą nepriklausomai nuo matavimo paklaidos dydžio, nors ir nedidelės.
Informacijos variklių veikimas.a) naivus (raudona) ir Bajeso (mėlyna) duomenų variklio galia. Tuščiaviduriai raudoni žymekliai žymi išėjimo galią, kai α yra 0. (b) Bajeso ir naivių variklių išėjimo darbo ištraukimo greičio skirtumas, išskaidytas pagal didžiausią greitį.
Kreditas ir autorių teisės: „Physical Review Letters“ (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.130601
Žinoma, dėl Bajeso sugebėjimųInformacijos variklis turi „mokėti“ išgauti energiją net ir esant didelėms matavimo paklaidoms. Kadangi toks mechanizmas naudoja informaciją iš visų ankstesnių matavimų, informacijai apdoroti reikia daugiau vietos ir laiko.
Ir tai logiška.Sumažinus matavimo paklaidas, didėja ne tik svyravimų išgaunamas darbas, bet ir informacijos apdorojimo kaštai. Dėl to mokslininkai rado idealią pusiausvyrą – maksimalų efektyvumą esant tarpiniam matavimo paklaidos lygiui, kai galima pasiekti gerą energijos išgavimo lygį. Tuo pačiu metu nėra jokių duomenų apdorojimo išlaidų.
Dabar mokslininkai tiria, kaip variklio veikimą paveiks triukšmas, atsirandantis dėl kitų veiksnių nei šiluma.
Skaityti daugiau:
Kodėl Mėnulis, o ne Marsas: svarbiausia apie Artemis-1 misiją ir kodėl ji reikalinga
Senovinis amuletas perrašė paslaptingiausios Europos kalbos istoriją
Pagrindinė žmogaus kilmės teorija buvo paneigta: iš kur mes atsiradome