Занадто багато фонового шуму зазвичай заважає роботі. Але фізики зробили щось неймовірне: розробили
Як працюють звичайні та мікроскопічні двигуни?
У повсякденному житті людивикористовують двигуни і двигуни, які споживають паливо для спрямованого руху і, таким чином, виконують корисну роботу. У мікроскопічному світі дедалі складніше. Там шум у вигляді тепла може все зіпсувати.
Тепловий шум в навколишньому середовищі змушуєкомпоненти невеликих машин «ввесь час гойдатися вперед і назад», пояснюють вчені. В результаті, крихітний двигун працює не так ефективно, як міг.
А що щодо інформаційних двигунів?
Існує особлива родина мікроскопічнихмашин, відомих як інформаційні двигуни, які використовують шум для цілеспрямованого руху. Цю інформацію вони використовують, посилюючи "правильні" маніпуляції машини. Простими словами, інформаційний двигун - це машина, яка перетворює інформацію в роботу.
Фізикам та інженерам знадобляться такікрихітні двигуни для розробки нових мікроскопічних машин для нанотехнологічних програм. Головне їх розробити, щоб вони замінили звичайні машини.
Автори нового дослідження просунулися у цій роботі. Вони більше дізналися про те, як інформацію можна використовувати в біомолекулярних машинах.
Що зробили вчені?
Вчені побудували інформаційний двигун,використовуючи мікроскопічні скляні кульки розміром з бактерію, зважені в воді. Кулька вільно утримується на місці лазерним променем, який діє як опора під ним. При цьому, молекули води м'яко штовхають кульку через природні теплові коливання в рідкості. Час від часу він «трясеться».
І ось чим хитрість:коли кулька піднімається проти сили тяжіння через теплові коливання, то змінюється і положення опори для лазера. У цьому положенні у кульки більше накопиченої або гравітаційної потенційної енергії. Як у м'яча, що готується впасти.
Схематичний інформаційний двигун. (a) Шумовий детектор вимірює положення y кульки, що фактично знаходиться в
точці x. Механізм, заснований або на (b) зашумленому вимірі положення y, або (c) на байєсовской оцінці положення X̂ (синій пунктирний круг). Автори і права: Physical Review Letters (2022). 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Вченим навіть не довелося «піднімати» об'єкт;це відбувалося природним чином завдяки коливанням молекул води. Таким чином, двигун перетворив тепло води в накопичену гравітаційну потенційну енергію, використовуючи зворотний зв'язок про рух кульки для налаштування лазерної пастки. «Рішення про те, слід піднімати пастку і наскільки, залежить від інформації, яку ми зібраємо про положення намистини. Вона діє як "паливо" для двигуна», - пояснюють вчені.
У чому складність?
Так і працює система, але правильно реалізуватицю стратегію складно, якщо в системі надто багато шуму виміру. Його створює яскравість лазерного променя, який використовують для виявлення кульки. У таких випадках невизначеність його положення для кожного вимірювання може бути більшою, ніж руху об'єкта, викликані коливаються молекулами води. В результаті, вимірювальний шум призводить до помилкового зворотного зв'язку і, тим самим знижує продуктивність.
Типові інформаційні механізми використовуютьалгоритми зворотного зв'язку, які ґрунтують рішення на останньому вимірі положення кульки. Але вони можуть бути невірними, коли помилки вимірювання занадто великі. Вчені якраз хотіли з'ясувати, чи є спосіб обійти цю проблему.
Чи є рішення?
Вони розробили алгоритм зворотного зв'язку, якийґрунтується не просто на прямому вимірі останнього положення кульки (воно може бути неточним), а на всіх попередніх вимірах. Таким чином, цей алгоритм фільтрації враховує помилки вимірювання при виконанні байесівської оцінки.
У математичній статистиці та теорії прийняттяРішення байесівська оцінка рішення - це статистична оцінка, яка мінімізує апостеріорне математичне очікування функції втрат. Простіше кажучи, вона максимізує апостеріорне математичне очікування функції корисності. Нагадаємо, апостеріорна ймовірність — умовна ймовірність випадкової події за умови того, що відомі апостеріорні дані, тобто отримані після якого-небудь.
Таким чином, комбінуючи безліч зашумленихВимірювання з використанням моделі динаміки кульки, можна відновити більш точну оцінку його істинного положення. Це в рази зменшить втрати продуктивності.
«Баєсовський» компроміс
В рамках дослідження, вчені наочнопоказали, що інформаційний механізм, який застосовує зворотний зв'язок на основі цих байесівських оцінок, працює в рази краще, ніж звичайні інформаційні машини, коли помилки вимірювання занадто великі. Більшість типових інформаційних двигунів у такому разі просто зупиняться.
Це здивувало вчених.Коли помилки вимірювання перевищують критичний поріг, наївна машина більше не працює як чисто інформаційна. "Краща стратегія для неї - просто опустити руки і нічого не робити", - пишуть дослідники. А ось байєсовська модель виконує роботу незалежно від величини помилки вимірювання, хоч і невелику.
Продуктивність інформаційних двигунів.(а) Вихідна потужність наївного (червоний) та байєсовського (синій) інформаційних двигунів. Порожнисті червоні маркери позначають вихідну потужність при α дорівнює 0. (b) Різниця у швидкості вилучення вихідної роботи для байєсовського та наївного двигуна, масштабованих за максимальною швидкістю.
Автори та права: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Звичайно, здатність байєсовськогоінформаційного двигуна видобувати енергію навіть за великих помилок виміру доводиться «платити». Оскільки такий механізм використовує інформацію з усіх попередніх вимірювань, йому потрібно більше місця для зберігання і часу для обробки інформації.
І це логічно.Мінімізація помилок виміру збільшує не тільки роботу, що витягується з коливань, але й витрати на обробку інформації. В результаті, вчені знайшли ідеальний баланс - максимальну ефективність при проміжному рівні помилки вимірювання, коли можна досягти хорошого рівня вилучення енергії. При цьому, витрат на обробку даних не потрібно.
Зараз вчені досліджують, як на роботу двигуна вплине шум, який виникає не через тепло, а від інших факторів.
Читати далі:
Чому Місяць, а не Марс: головне про місію «Артеміда-1» і навіщо вона потрібна
Стародавній амулет переписав історію найзагадковішої мови Європи
Головну теорію походження людини спростували: звідки ми з'явилися