För mycket bakgrundsljud stör vanligtvis ditt arbete. Men fysiker gjorde något otroligt: de utvecklades
Hur fungerar konventionella och mikroskopiska motorer?
I vardagslivet människoranvända motorer och motorer som förbrukar bränsle för riktad rörelse och därmed utför ett användbart arbete. I den mikroskopiska världen är allt mer komplicerat. Där kan buller i form av värme förstöra allt.
Termiskt brus i miljön orsakarKomponenterna i små bilar "gungar fram och tillbaka hela tiden", förklarar forskarna. Som ett resultat fungerar den lilla motorn inte så effektivt som den skulle kunna.
Hur är det med informationsmotorer?
Det finns en speciell familj av mikroskopiskamaskiner som kallas informationsmotorer, som använder buller för att driva riktade rörelser. De använder denna information, vilket förstärker de "korrekta" manipulationerna av maskinen. Enkelt uttryckt är en informationsmotor en maskin som omvandlar information till arbete.
Fysiker och ingenjörer kommer att ha nytta av dessasmå motorer för att utveckla nya mikroskopiska maskiner för nanoteknologiapplikationer. Huvudsaken är att utveckla dem så att de ersätter konventionella maskiner.
Författarna till den nya studien har tagit detta arbete vidare. De lärde sig mer om hur information kan användas i biomolekylära maskiner.
Vad har forskarna gjort?
Forskare har byggt en informationsmotoranvända mikroskopiska glaspärlor storleken på bakterier suspenderade i vatten. Bollen hålls löst på plats av en laserstråle som fungerar som ett stöd under den. Samtidigt pressar vattenmolekyler bollen försiktigt på grund av naturliga termiska vibrationer i vätskan. Då och då "skakar han".
Och här är tricket:När kulan reser sig mot tyngdkraften på grund av termiska vibrationer ändras även laserstödets position. I denna position har bollen mer lagrad eller gravitationell potentiell energi. Som en boll som håller på att falla.
Schematisk informationsmotor. (a) Brusdetektorn mäter positionen y för bollen som faktiskt finns i
punkt x. En mekanism baserad på antingen (b) en bullrig positionsmätning y eller (c) en Bayesiansk positionsuppskattning X̂ (blå prickad cirkel). Credit: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Forskare behövde inte ens "lyfta" föremålet;detta hände naturligt, på grund av vibrationer från vattenmolekyler. Således omvandlade motorn vattnets värme till lagrad gravitationspotential energi, med hjälp av feedback om bollens rörelse för att justera laserfällan. ”Beslutet om och hur mycket man ska lyfta fällan beror på den information vi samlar in om pärlans position. Det fungerar som "bränsle" för motorn, förklarar forskare.
Vad är svårigheten?
Det är så systemet fungerar, men att implementera det korrektDenna strategi är svår om det finns för mycket mätbrus i systemet. Den skapas av ljusstyrkan hos laserstrålen som används för att detektera bollen. I sådana fall kan osäkerheten för dess position för varje mätning vara större än objektets rörelse som orsakas av de oscillerande vattenmolekylerna. Som ett resultat av detta, mätbrus leder till felaktig återkoppling och minskar därmed produktiviteten.
Typiska informationsmekanismer som användsåterkopplingsalgoritmer som baserar beslut på den sista mätningen av bollens position. Men de kan ha fel när mätfelen är för stora.Forskare ville bara ta reda på om det fanns en väg runt detta problem.
Finns det en lösning?
De utvecklade en feedbackalgoritm sombaseras inte bara på en direkt mätning av bollens sista position (som kan vara felaktig), utan på alla tidigare mätningar. Denna filtreringsalgoritm tar därför hänsyn till mätfel när man utför Bayesiansk uppskattning.
I matematisk statistik och acceptansteoriBayesian decision estimator är en statistisk estimator som minimerar den bakre förväntan av förlustfunktionen. Enkelt uttryckt maximerar den den bakre matematiska förväntan på nyttofunktionen Kom ihåg att posterior sannolikhet är den villkorade sannolikheten för en slumpmässig händelse, förutsatt att bakre data är kända, det vill säga erhållna efter viss erfarenhet.
Således, genom att kombinera en uppsättning av bullrigamätningar med hjälp av bolldynamikmodellen är det möjligt att återställa en mer exakt uppskattning av dess verkliga position. Detta kommer att minska prestandaförlusterna avsevärt.
"bayesiansk" kompromiss
Som en del av studien, forskare tydligtvisade att en informationsmotor som tillämpar feedback baserat på dessa Bayesianska uppskattningar presterar betydligt bättre än konventionella informationsmotorer när mätfelen är för stora. De flesta typiska informationsmotorer kommer helt enkelt att stanna i det här fallet.
Detta förvånade forskarna.När mätfel överstiger en kritisk tröskel, fungerar den naiva maskinen inte längre som en ren informationsmaskin. "Den bästa strategin för henne är att helt enkelt ge upp och inte göra någonting", skriver forskarna. Men den Bayesianska modellen gör jobbet oavsett storleken på mätfelet, om än ett litet sådant.
Prestanda för informationsmotorer.(a) Naiv (röd) och Bayesiansk (blå) datamotoreffekt. Ihåliga röda markörer anger uteffekt när α är 0. (b) Skillnad i utvinningshastighet för utvinningsarbete för Bayesianska och naiva motorer, skalad efter maximal hastighet.
Kredit och upphovsrätt: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Naturligtvis för förmågan hos BayesianInformationsmotorn måste "betala" för att utvinna energi även vid stora mätfel. Eftersom en sådan mekanism använder information från alla tidigare mätningar, kräver det mer lagringsutrymme och tid att bearbeta informationen.
Och det här är logiskt.Att minimera mätfel ökar inte bara det arbete som extraheras från svängningarna, utan också kostnaderna för informationsbehandling. Som ett resultat har forskare hittat den ideala balansen - maximal effektivitet vid en mellannivå av mätfel, när en bra nivå av energiutvinning kan uppnås. Samtidigt tillkommer inga kostnader för databehandling.
Nu studerar forskare hur motordrift kommer att påverkas av buller som uppstår från andra faktorer än värme.
Läs mer:
Varför månen och inte Mars: det viktigaste med Artemis-1-uppdraget och varför det behövs
En gammal amulett skrev om historien om Europas mest mystiska språk
Huvudteorin om människans ursprung vederlagdes: var kom vi ifrån