Zbyt dużo hałasu w tle zwykle zakłóca Twoją pracę. Ale fizycy dokonali czegoś niesamowitego: rozwinęli się
Jak działają silniki konwencjonalne i mikroskopijne?
W codziennym życiu ludziużywać silników i silników, które zużywają paliwo do ukierunkowanego ruchu i w ten sposób wykonują pożyteczną pracę. W mikroskopijnym świecie wszystko jest bardziej skomplikowane. Tam hałas w postaci ciepła może wszystko zepsuć.
Przyczyny hałasu termicznego w środowiskuPodzespoły małych samochodów „cały czas kołyszą się w przód i w tył” – wyjaśniają naukowcy. W rezultacie mały silnik nie działa tak wydajnie, jak mógłby.
A co z silnikami informacyjnymi?
Istnieje szczególna rodzina mikroskopijnychmaszyny zwane silnikami informacyjnymi, które wykorzystują hałas do kierowania ukierunkowanym ruchem. Wykorzystują te informacje, wzmacniając „poprawne” manipulacje maszyną. Mówiąc najprościej, silnik informacyjny to maszyna, która przekształca informacje w pracę.
Będą one przydatne dla fizyków i inżynierówmalutkie silniki do opracowania nowych mikroskopijnych maszyn do zastosowań nanotechnologii. Najważniejsze jest, aby je opracować tak, aby zastępowały konwencjonalne maszyny.
Autorzy nowego badania poszli dalej w swoich badaniach. Dowiedzieli się więcej o tym, jak można wykorzystać informacje w maszynach biomolekularnych.
Co zrobili naukowcy?
Naukowcy zbudowali silnik informacyjnyprzy użyciu mikroskopijnych szklanych koralików wielkości bakterii zawieszonych w wodzie. Piłka jest utrzymywana luźno w miejscu za pomocą wiązki lasera, która działa pod nią jako podpora. Jednocześnie cząsteczki wody delikatnie popychają kulkę na skutek naturalnych drgań termicznych cieczy. Od czasu do czasu „trzęsie się”.
A oto sztuczka:Kiedy kula unosi się wbrew grawitacji na skutek drgań termicznych, zmienia się również położenie wspornika lasera. W tej pozycji piłka ma więcej zmagazynowanej lub grawitacyjnej energii potencjalnej. Jak piłka, która zaraz spadnie.
Schematyczny silnik informacyjny. (a) Detektor hałasu mierzy położenie y kulki faktycznie znajdującej się w
punkt x. Mechanizm oparty na (b) zaszumionym pomiarze pozycji y lub (c) oszacowaniu pozycji bayesowskiej X (niebieskie kropkowane kółko). Źródło: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Naukowcy nie musieli nawet „podnosić” obiektu;stało się to naturalnie, na skutek wibracji cząsteczek wody. W ten sposób silnik przekształcił ciepło wody w zmagazynowaną energię potencjalną grawitacji, wykorzystując informację zwrotną na temat ruchu kuli do regulacji pułapki laserowej. „Decyzja o tym, czy i jak bardzo podnieść pułapkę, zależy od zebranych informacji na temat położenia koralika. Działa jak „paliwo” dla silnika” – wyjaśniają naukowcy.
Jaka jest trudność?
Tak działa system, ale trzeba go poprawnie wdrożyćStrategia ta jest trudna, jeśli w systemie występuje zbyt duży szum pomiarowy. Powstaje na skutek jasności wiązki lasera służącej do detekcji kuli.W takich przypadkach niepewność jej położenia przy każdym pomiarze może być większa niż ruch obiektu wywołany oscylującymi cząsteczkami wody.W efekcie szumy pomiarowe prowadzą do błędnych informacji zwrotnych, a tym samym do zmniejszenia produktywności.
Typowe zastosowania mechanizmów informacyjnychalgorytmy sprzężenia zwrotnego, które opierają decyzje na ostatnim pomiarze położenia piłki. Mogą się jednak mylić, gdy błędy pomiaru są zbyt duże. Naukowcy chcieli tylko dowiedzieć się, czy istnieje sposób na obejście tego problemu.
Czy istnieje rozwiązanie?
Opracowali algorytm sprzężenia zwrotnego, któryopiera się nie tylko na bezpośrednim pomiarze ostatniej pozycji piłki (która może być niedokładna), ale na wszystkich poprzednich pomiarach. Dlatego też ten algorytm filtrowania uwzględnia błędy pomiaru podczas wykonywania estymacji bayesowskiej.
W statystyce matematycznej i teorii akceptacjiBayesowski estymator decyzji to estymator statystyczny, który minimalizuje późniejsze oczekiwanie funkcji straty. Mówiąc najprościej, maksymalizuje późniejsze oczekiwanie matematyczne funkcji użyteczności.Przypomnijmy, że prawdopodobieństwo późniejsze jest prawdopodobieństwem warunkowym zdarzenia losowego, pod warunkiem, że znane są dane późniejsze, czyli uzyskane po pewnym doświadczeniu.
Tak więc, łącząc zestaw hałaśliwypomiarów z wykorzystaniem modelu dynamiki piłki, możliwe jest odzyskanie dokładniejszego oszacowania jej rzeczywistej pozycji. To znacznie zmniejszy straty wydajności.
Kompromis „Bayesowski”.
W ramach badania naukowcy wyraźniewykazało, że silnik informacyjny wykorzystujący informację zwrotną w oparciu o szacunki Bayesa działa znacznie lepiej niż konwencjonalne silniki informacyjne, gdy błędy pomiaru są zbyt duże. Większość typowych silników informacyjnych po prostu zatrzyma się w tym przypadku.
To zaskoczyło naukowców.Kiedy błędy pomiarowe przekraczają próg krytyczny, naiwna maszyna nie działa już jako maszyna czysto informacyjna. „Najlepszą dla niej strategią jest po prostu poddać się i nic nie robić” – piszą badacze. Ale model Bayesa spełnia swoje zadanie niezależnie od wielkości błędu pomiaru, choćby niewielkiego.
Wydajność silników informacyjnych.( a ) Naiwna (czerwona) i Bayesowska (niebieska) moc wyjściowa silnika danych. Puste czerwone znaczniki oznaczają moc wyjściową, gdy α wynosi 0. (b) Różnica w szybkości ekstrakcji pracy wyjściowej dla silników bayesowskich i naiwnych, przeskalowana według maksymalnej prędkości.
Źródło i prawa autorskie: listy recenzji fizycznych (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Oczywiście za zdolność BayesaSilnik informacyjny musi „płacić” za wydobycie energii nawet przy dużych błędach pomiaru. Ponieważ taki mechanizm wykorzystuje informacje ze wszystkich poprzednich pomiarów, wymaga większej przestrzeni dyskowej i czasu na przetworzenie informacji.
I jest to logiczne.Minimalizacja błędów pomiarowych zwiększa nie tylko pracę wydobytą z oscylacji, ale także koszty przetwarzania informacji. W rezultacie naukowcy znaleźli idealną równowagę — maksymalną wydajność przy średnim poziomie błędu pomiaru, kiedy można osiągnąć dobry poziom ekstrakcji energii. Jednocześnie nie ma żadnych kosztów przetwarzania danych.
Teraz naukowcy badają, jak na pracę silnika wpłynie hałas powstający z czynników innych niż ciepło.
Czytaj więcej:
Dlaczego Księżyc, a nie Mars: najważniejsza rzecz w misji Artemis-1 i dlaczego jest potrzebna
Starożytny amulet napisał na nowo historię najbardziej tajemniczego języka Europy
Obalono główną teorię pochodzenia człowieka: skąd się wzięliśmy