For mye bakgrunnsstøy forstyrrer vanligvis arbeidet ditt. Men fysikere gjorde noe utrolig: de utviklet seg
Hvordan fungerer konvensjonelle og mikroskopiske motorer?
I hverdagen menneskerbruke motorer og motorer som forbruker drivstoff for rettet bevegelse og dermed utfører nyttig arbeid. I den mikroskopiske verden er alt mer komplisert. Der kan støy i form av varme ødelegge alt.
Termisk støy i miljøet forårsakerKomponentene i små biler "gynger frem og tilbake hele tiden," forklarer forskerne. Som et resultat fungerer ikke den lille motoren så effektivt som den kunne.
Hva med informasjonsmotorer?
Det er en spesiell familie av mikroskopiskemaskiner kjent som informasjonsmotorer, som bruker støy for å drive målrettet bevegelse. De bruker denne informasjonen, og forsterker de "riktige" manipulasjonene av maskinen. Enkelt sagt er en informasjonsmotor en maskin som konverterer informasjon til arbeid.
Fysikere og ingeniører vil finne disse nyttigesmå motorer for å utvikle nye mikroskopiske maskiner for nanoteknologiapplikasjoner. Hovedsaken er å utvikle dem slik at de erstatter konvensjonelle maskiner.
Forfatterne av den nye studien har tatt dette arbeidet videre. De lærte mer om hvordan informasjon kan brukes i biomolekylære maskiner.
Hva har forskerne gjort?
Forskere har bygget en informasjonsmotorved hjelp av mikroskopiske glassperler på størrelse med bakterier suspendert i vann. Ballen holdes løst på plass av en laserstråle som fungerer som en støtte under den. Samtidig skyver vannmolekyler ballen forsiktig på grunn av naturlige termiske vibrasjoner i væsken. Fra tid til annen «rister han».
Og her er trikset:Når ballen stiger mot tyngdekraften på grunn av termiske vibrasjoner, endres også laserstøttens posisjon. I denne posisjonen har ballen mer lagret eller gravitasjonspotensialenergi. Som en ball som er i ferd med å slippe.
Skjematisk informasjonsmotor. (a) Støydetektoren måler plasseringen y til ballen som faktisk befinner seg i
punkt x. En mekanisme basert på enten (b) en støyende posisjonsmåling y eller (c) et Bayesiansk posisjonsestimat X̂ (blå stiplet sirkel). Kreditt: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Forskere trengte ikke engang å "løfte" objektet;dette skjedde naturlig på grunn av vibrasjoner fra vannmolekyler. Dermed konverterte motoren varmen fra vannet til lagret gravitasjonspotensialenergi, ved å bruke tilbakemelding om ballens bevegelse for å justere laserfellen. "Beslutningen om hvorvidt og hvor mye fellen skal heves, avhenger av informasjonen vi samler inn om posisjonen til perlen. Det fungerer som "drivstoff" for motoren, forklarer forskere.
Hva er vanskeligheten?
Dette er hvordan systemet fungerer, men å implementere det riktigDenne strategien er vanskelig hvis det er for mye målestøy i systemet. Den skapes av lysstyrken til laserstrålen som brukes til å oppdage ballen. I slike tilfeller kan usikkerheten for dens posisjon for hver måling være større enn bevegelsen til objektet forårsaket av de oscillerende vannmolekylene. Som et resultat av dette, målestøy fører til feilaktig tilbakemelding og reduserer dermed produktiviteten.
Типичные информационные механизмы используют tilbakemeldingsalgoritmer som baserer beslutninger på siste måling av ballens posisjon. Men de kan ta feil når målefeilene er for store.Forskere ville bare finne ut om det var en vei rundt dette problemet.
Finnes det en løsning?
De utviklet en tilbakemeldingsalgoritme somer ikke bare basert på en direkte måling av ballens siste posisjon (som kan være unøyaktig), men på alle tidligere målinger. Denne filtreringsalgoritmen tar derfor hensyn til målefeil når du utfører Bayesiansk estimering.
I matematisk statistikk og akseptteoriBayesiansk beslutningsestimator er en statistisk estimator som minimerer den bakre forventningen til tapsfunksjonen. Enkelt sagt maksimerer den den bakre matematiske forventningen til nyttefunksjonen La oss huske at posterior sannsynlighet er den betingede sannsynligheten for en tilfeldig hendelse, forutsatt at bakre data, det vil si oppnådd etter litt erfaring, er kjent.
Dermed, ved å kombinere et sett med støyendemålinger ved hjelp av balldynamikkmodellen, er det mulig å gjenopprette et mer nøyaktig estimat av dens sanne posisjon. Dette vil redusere ytelsestap betraktelig.
"bayesiansk" kompromiss
Som en del av studien, forskere klartviste at en informasjonsmotor som bruker tilbakemelding basert på disse Bayesianske estimatene, yter betydelig bedre enn konvensjonelle informasjonsmotorer når målefeilene er for store. De fleste typiske informasjonsmotorer vil ganske enkelt stoppe i dette tilfellet.
Dette overrasket forskerne.Når målefeil overskrider en kritisk terskel, fungerer ikke den naive maskinen lenger som en ren informasjonsmaskin. "Den beste strategien for henne er å bare gi opp og ikke gjøre noe," skriver forskerne. Men den Bayesianske modellen gjør jobben uavhengig av størrelsen på målefeilen, om enn en liten.
Ytelsen til informasjonsmotorer.(a) Naiv (rød) og Bayesiansk (blå) datamotoreffekt. Hule røde markører angir utgangseffekt når α er 0. (b) Forskjell i uttakshastighet for produksjonsarbeid for Bayesianske og naive motorer, skalert etter maksimal hastighet.
Kreditt og opphavsrett: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Selvfølgelig for evnen til BayesianInformasjonsmotoren må "betale" for å utvinne energi selv med store målefeil. Siden en slik mekanisme bruker informasjon fra alle tidligere målinger, krever det mer lagringsplass og tid å behandle informasjonen.
Og dette er logisk.Minimering av målefeil øker ikke bare arbeidet som trekkes ut av svingningene, men også kostnadene ved informasjonsbehandling. Som et resultat har forskere funnet den ideelle balansen – maksimal effektivitet ved et mellomnivå av målefeil, når et godt nivå av energiutvinning kan oppnås. Samtidig er det ingen kostnader til databehandling.
Nå studerer forskere hvordan motordrift vil bli påvirket av støy som oppstår fra andre faktorer enn varme.
Les mer:
Hvorfor månen og ikke Mars: det viktigste med Artemis-1-oppdraget og hvorfor det er nødvendig
En eldgammel amulett omskrev historien til Europas mest mystiske språk
Hovedteorien om menneskets opprinnelse ble tilbakevist: hvor kom vi fra