НТИ июль-август 2012 Ч.4 Наука, Изобретения, Курьезные изобретения

Часть 1

Часть 2

Часть 3

Часть 4

Раздел НАУКА. ЖИЗНЬ. ЧЕЛОВЕК содержит четыре заметки о Земле и ее обитателях.

«Сухая земля: за снеговой линией», называется заметка, размещенная 24 июля на www.popmech.ru. «В сравнении с некоторыми другими планетами воды на нашей Земле совсем немного – и лишь теперь удалось понять, почему. Полагать Землю, на две трети покрытую водой, «сухой» планетой, кажется странным. Однако вода составляет менее 1% ее массы, причем подавляющее большинство этой влаги попали сюда извне, с падением астероидов и комет. Этот недостаток воды остается большой загадкой, особенно с учетом того, что, по существующим теориям, Земля образовалась из скопления, водой весьма богатого, расположенного за «снеговой линией», где температура позволяет влаге конденсироваться в ледяную пыль. Пролегает эта условная линия в районе астероидного пояса, между орбитами Марса и Юпитера, однако 4,5 млрд лет назад, когда шло формирование планет Солнечной системы, она располагалась намного ближе к Солнцу. Считается, что она находилась внутри орбиты будущей Земли. Однако в этом случае наша планета была бы ледяным телом, как, например, Уран или Нептун (на них, кстати, воды – десятки процентов от массы).

Этот парадокс разрешает новая работа, проведенная под руководством знаменитого астрофизика Марио Ливио (Mario Livio). Итак, согласно доминирующим сегодня взглядам на формирование планет Солнечной системы, дело обстояло примерно таким образом. Несколько миллиардов лет назад молодую звезду окружал вращающийся протопланетный диск газа и пыли. Из-за действия яркого излучения юного Солнца он был практически полностью ионизирован. Часть вещества этого диска падала на Солнце, еще более усиливая излучение и в итоге разогревая сам диск. В итоге пресловутая снеговая линия располагалась очень далеко – на расстоянии в 1,6 млрд км от светила, а может, и еще дальше (для сравнения вспомним, что мы находимся от Солнца на расстоянии около 150 млн км). Однако со временем протопланетный диск замедлялся и терял массу, все меньше вещества падало на Солнце. В результате он остывал, и снеговая линия смещалась все ближе к Солнцу, оказавшись внутри орбиты Земли еще до того, как она начала формироваться.

Марио Ливио с коллегами начали атаковать эту модель уже с первых этапов. Они замечают, что излучения молодой звезды, даже на первых бурных фазах ее существования, вовсе недостаточно для того, чтобы полностью ионизировать протопланетное облако. В этом случае все должно было разворачиваться совершенно по-другому. Неионизированный газ не мог падать, ведомый магнитными полями звезды, столь активно на ее поверхность. Вместо того он просто оставался на орбите, вращаясь вокруг нее без сближения – авторы назвали эту область «мертвой зоной», поскольку она блокировала дальнейшее движение вещества к Солнцу. Частицы газа и пыли, попадая сюда, лишь увеличивали плотность вещества в «мертвой зоне» и слегка разогревая ее за счет соударений и гравитационного сжатия. Этот процесс приводил к разогреву области, расположенной от Солнца следом за «мертвой зоной», испаряя сконденсировавшийся там лед и в итоге удаляя из этой области воду. Именно в этой области, по мнению Марио Ливио, сформировалась наша Земля, на которой осталось так мало воды». (Интересный пример работы с противоречием и поиска оптимальной схемы, его разрешающей и в то же время удовлетворяющей всем условиям. – Редактор)

«От любви до ненависти: гены как свидетели»  обсуждаются 23 августа на www.popmech.ru. «Непростые отношения наших предков с неандертальцами включали взаимное истребление, поедание и… секс. Наши гены до сих пор несут следы тогдашних скрещиваний – и недавно генетики установили, где и когда именно они происходили. Чем лучше мы начинаем понимать доисторическое развитие человека – тем более поразительные картины нам открываются. Взять хотя бы непростые отношения наших далеких предков кроманьонцев с представителями другого, близкого к нам разумного вида, неандертальцами. Отношения эти достойны эпоса – а может, мыльной оперы. В 2010 г., когда было проведено частичное секвенирование генома неандертальца, между нами обнаружилось немало общего. Более того, «неандертальские гены» имеются не у всех современных людей. Практически не встречаются они у коренного населения Африки южнее Сахары, зато находятся у всего остального человечества.

Почему это так? Считается, что неандертальцы появились в Европе около 400 тыс. лет назад и полностью вымерли 30 тыс. лет назад. В то же время, люди появились в Африке 200 тыс. лет назад и пришли на европейский континент 80 тыс. лет назад. Поэтому предполагается, что в течение примерно 50 тыс. лет они сосуществовали, пока более способные к кооперации наши предки постепенно не вытеснили неандертальцев – сперва с более благоприятных территорий, а затем и вообще из жизни. Однако за это время между ними случалась не только война, но и любовь.

Имеется и другая гипотеза. Неандертальцы и люди имели общих предков, живших в Африке около 500 тыс. лет назад. Часть из них, двигаясь все дальше на север, постепенно превратились в неандертальцев, а оставшаяся часть – в людей. Однако структура первобытных человеческих сообществ была такова, что часть из людей сохранили более близкий неандертальцам геном, тогда как в других сообществах он изменился сильнее. Впоследствии именно группы, имевшие близкий неандертальскому геном, снялись со своей прародины и освоили весь остальной земной шар.

Какой же взгляд ближе к истине? Гарвардские генетики из группы Дэвида Райха (David Reich) утверждают, что они нашли решение. Согласно проведенному ими анализу, смешение генов человека и неандертальца происходило между 47 и 65 тыс. лет назад – то есть, заведомо после исхода человека из Африки. Получается, что, действительно, в Европе всего за несколько десятков тысяч лет до нас происходили удивительные события, межвидовые войны и скрещивания, достойные эпоса – или мыльной оперы».

«Стадо эгоистов: волки, овцы и GPS» описаны 27 июля на www.popmech.ru. «Экспериментально подтверждено, что овцы заботятся только о своей собственной шкуре. Чтобы спастись от голодного волка, овца не бежит от него – да и не смогла бы. Вместо этого она перебирается подальше вглубь плотно сгрудившегося стада, спасая свою шкуру и бесцеремонно «подставляя» товарищей. Такие перемещения привели к появлению теории «эгоистичного стада», которая описывает движения особей в популяции, прежде всего, стремлением каждой особи минимизировать свои личные шансы на столкновение с хищником. Однако ни подтвердить, ни опровергнуть эти взгляды до сих пор не удавалось: уж слишком хаотично движутся овцы в стаде, и слишком тяжело уследить за каждой конкретной овцой. Имеются исследования морских котиков, крабов и чаек, которые частично свидетельствуют в их пользу, однако данные эти недостаточно достоверны.

Ясности в вопросе удалось лишь британским ученым Эндрю Кингу (Andrew King) и его коллегам. Авторы беспрецедентной работы прикрепили GPS-трекеры к 46-ти овцам и опытной собаке-пастуху, которую овцы, разумеется, воспринимают, как опасность. Выпустив собаку к стаду, ученые ежесекундно регистрировали точное положение всех участников этого действа, а затем проанализировали факторы, влиявшие на перемещение овец. Перемещение это достаточно точно ориентируется на середину стада: вместо того, чтобы убегать от собаки в одном направлении или разбегаться во все стороны, или следовать за каким-нибудь вожаком, овцы все устремляются к центру. Процесс этот начинается, когда собака находится еще в 70 м от стада. «Тот факт, что все они бегут по направлению к центру, снижает шансы особи оказаться крайней и попасться хищнику, - комментирует результаты сам Кинг, - Это эгоистичное поведение, поскольку каждая овца выталкивает других к краю, чтобы спасти собственную шкуру». Вообще, эти ясные наблюдения можно рассматривать, как прекрасную иллюстрацию к вопросу о причинах возникновения стадного поведения. Кроме того, они позволят точнее оценивать воздействие и контролировать распространение различных инфекций».

«Умный мозг: связь на важном месте» - так называется заметка, размещенная 8 августа на www.popmech.ru. ««Уровень интеллекта» человека можно – до некоторой степени – разглядеть в анатомии мозга. Индивидуальные размеры мозга от человека к человеку сильно разнятся и оказывают довольно слабое влияние на уровень интеллекта (не более 6-7%). С этой точки зрения гораздо интереснее одна определенная область мозга – а именно префронтальная кора, у представителей нашего вида особенно развитая, испещренная извилинами. Именно она ответственна за высшие мыслительные процессы. Активность ее нейронов, по современным данным, ответственна еще за 5% вариабельности уровня интеллекта. И целых 10% можно отнести к степени связанности нейронов префронтальной коры левого полушария с другими регионами мозга. По крайней мере, такие выводы сделали из своей последней работы американские ученые из группы профессора Тодда Брэвера (Todd Braver).

Данные были получены в результате томографического исследования активности мозга добровольцев в состоянии пассивного расслабления и при решении сложных умственных задач. «Наше исследование говорит о том, что часть того, что мы привыкли считать интеллектом, связана с тем, насколько хорошо выполняет свою работу префронтальная кора, а еще большая часть – с тем, насколько эффективна она может обмениваться информацией с остальным мозгом» - добавляет Брэвер. Это и неудивительно: именно эта часть коры, насколько мы знаем, должна постоянно отслеживать, контролировать и координировать работу различных областей мозга, реализуя самые сложные когнитивные функции, эмоции, целеполагание и мотивацию, оценку обстановки и принятие решений. Иначе говоря, он служит важнейшим узлом, куда должна стекаться информация и откуда должны расходиться указания – а для работы такого узла эффективность связи критически важна».

 

Раздел ИЗОБРЕТЕНИЯ нынче включает в себя пять заметок.

«БЕСКОНЕЧНАЯ ТРУБА: СКОЛЬКО ИЗВОЛИТЕ», пишет 29 августа www.popmech.ru. «Труба бесконечной длины позволит дешевле и быстрее строить трубопроводы, повысит их надежность и безопасность для окружающей среды. Как правило, они скрыты от наших глаз, поэтому мы легко забываем об их существовании. На самом деле, даже трудно представить, сколькими тысячами километров трубопроводов человечество опутало планету, сколько миллионов тонн «груза» они транспортируют, будь то вода, топливо, отходы - а может, информация, путешествующая по кабелю, защищенному трубопроводом. Все это - кровь нашей цивилизации. Легко себе представить, сколько отдельных труб необходимо изготовить, доставить и соединить на месте при укладке многокилометрового трубопровода. Все это делает трубопровод совсем недешевым и непростым в сооружении объектом, в местах соединений создаются тысячи «тонких мест» для протечек и аварий. Трубы - вещь тяжелая и габаритная, требующая для транспортировки и установки тяжелой техники.

Иное дело разработка, представленная американским профессором Мо Эзани (Mo Ehsani). Называется она без особых затей - InfinitiPipe, «бесконечная труба», и состоит из легкого ячеистого пластика, покрытого слоями просмоленного углеволокна, соединенных вместе с помощью уникального технологического процесса. Процесс этот позволяет перенести процесс изготовления труб непосредственно на место их укладки, доставляя сюда лишь более удобные и простые в транспортировке материалы. Отсутствие место соединений повышает простоту и надежность трубопровода. Эзани и его команда начали работу с поиска методов усиления обычных трубопроводов с помощью современных композитных материалов. Они нашли способ получения полностью композитных труб путем послойного «оборачивания» сердечника слоями композита, с последующим удалением сердечника, который затем можно использовать для изготовления следующей трубы. Однако тут им в голову пришла простая мысль - что, если сердечник не вынимать, а просто смещать и продолжать оборачивать, делая трубу все длиннее, пока она одна не достигнет нужных размеров?

Их технология позволяет сделать ее практически бесконечной, достаточно вовремя укладывать готовую часть и успевать подавать композитные материалы. Конечно, на практике бесконечности достичь не удается, да в этом и нет необходимости. Практически секции трубопровода можно делать длиной и в несколько километров, хотя на самом деле каждые несколько сот метров в них все равно потребуется делать компенсационные зазоры, которые позволят всей конструкции «дышать». Однако и несколько сотен метров на отдельную секцию - это уже существенный и важный прогресс в сравнении с текущим состоянием дел, когда зазоры-соединения имеются едва ли не через каждые несколько метров. Легкость используемых в InfinitiPipe композитов в разы снижает стоимость их транспортировки в сравнении с металлическими и бетонными конструкциями обычных труб. Словом, преимущества технологии, по мнению Мо Эзани и его коллег, особенно заметны будут при постройке трубопроводов в слабо развитой местности. Туда будет достаточно доставить машину, изготавливающую и укладывающую трубы, и вовремя «подкармливать» ее композитами».

«Гигантский трехмерный принтер построит дом за 20 часов времени», утверждает 9 августа www.nanonewsnet.ru. «Технологии трехмерной печати все больше и больше входят в окружающий нас мир. Но, обычные трехмерные принтеры используются для того, что бы изготовить небольшие предметы, детали механизмов или сами механизмы. А для того, что бы изготавливать большие объекты, нужны огромные трехмерные принтеры. Одним из таких принтеров является система Contour Crafting, разработанная исследователями из университета Южной Калифорнии, которая может «напечатать» двухэтажный жилой дом не более, чем за 20 часов времени.

В основе системы Contour Crafting лежат все те же технологии трехмерной печати, реализованные в большом масштабе. Contour Crafting чем-то напоминает подъемный кран, нависающий над местом строительства. С помощью своей «печатающей головки» Contour Crafting выстраивает стены здания, выкладывая слои быстрозастывающего бетона. Но только этим дело не ограничивается, специальные приспособления позволяют системе выполнять монтаж трубопроводов для воды, газа, отопления и прокладывать электрическую проводку. По завершению работы системы Contour Crafting остается почти законченное здание, которое требует только установки окон, дверей и проведения внутренних отделочных работ. Дополнительные инструменты системы Contour Crafting позволяют произвести покраску внешних стен и уложить черепицу на крышу здания.

Профессор Бехрох Хошневис (Behrokh Khoshnevis) говорит, что использование систем типа Contour Crafting позволит быстро и качественно строить относительно дешевое жилье. Это будет достигнуто за счет меньшей стоимости рабочей силы и за счет снижения рисков получения травм рабочими-строителями в ходе проведения работ. Особенно ценной система Contour Crafting будет для развивающихся стран и для районов, претерпевших стихийные бедствия. Поскольку конструкция строящегося здания определяется исключительно компьютерной программой, то ничего не стоит парой щелчков мышью внести достаточно кардинальные изменения в проект. Это позволит немного изменять проект даже во время строительства, в результате чего получается здание, отличное от домов располагающихся рядом. Помимо строительства простого и дешевого жилья, технологии Contour Crafting могут с успехом использоваться для строительства элитного жилья и даже больших зданий, включая производственные помещения…»

«Огонь предложили тушить звуком и электричеством», сообщает 16 июля www.nanonewsnet.ru. «Инженеры из американского военного агентства DARPA разработали способ тушить пожар без использования химических агентов – с помощью звука или электричества. Описание необычных огнетушителей приводится на сайте агентства. Разработчики исследовали возможность подавлять огонь с помощью различных физических методов, два из которых оказались перспективными: воздействие переменного магнитного поля и акустическое облучение. В первом случае пламя тушили с помощью специального электрода, покрытого защитной стеклянной оболочкой. Воздействие поля на плазму огня приводило к образованию мощных потоков частиц – ионных джетов.

Потоки фактически сдували пламя и таким образом тушили огонь. Метод работал при тушении небольших очагов, но оказался плохо масштабируемым. Другой способ тушения заключался в облучении пламени звуковыми волнами. В экспериментальной установке сосуд с горящим гептаном помещали между двумя динамиками. Акустическое воздействие динамиков оказалось способно потушить огонь за несколько секунд. По словам инженеров, такое действие звука объясняется двумя причинами.

  • Во-первых, акустические волны истончают зону сгорания, а
  • во-вторых, воздействуют на поверхность горючего, увеличивая скорость его испарения.

Это не приводит к увеличению скорости сгорания, а только понижает температуру огня. В результате пламя гаснет. Разработка инженеров может пригодиться для создания систем автоматического пожаротушения для кораблей и самолетов. Авторы, однако, отмечают, что им не удалось пока найти способ эффективно масштабировать устройства для применения на практике».

«Жуки вдохновили инженеров на создание датчика прикосновений», пишет 1 августа www.nanonewsnet.ru. «Инженеры создали чувствительный сенсор прикосновений, который способен различать давление, сдвиг и кручение… На создание сенсора ученых вдохновила система фиксации надкрыльев у некоторых жуков. Она состоит из ворсинок, которые смыкаются друг с другом, когда надкрылья насекомых закрыты и находятся в покое. В какой-то степени система напоминает застежки-липучки с тем различием, что не имеет крючков – ворсинки соединяются друг с другом только за счет поверхностных Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Подобным же образом устроен и датчик, созданный инженерами из Сеульского Национального Университета. Он состоит из двух полимерных пластин, несущих ворсинки, высота которых составляет около микрометра, а диаметр в десять раз меньше. На ворсинки напыляется металлическое покрытие, которое делает их поверхность проводящей. Две пластины соединяются друг с другом ворсистыми сторонами лицом к лицу и присоединяются к датчику сопротивления. Ток может относительно свободно проходить с одной пластины на другую, а сопротивление зависит от общей площади соприкосновения между ворсинками.

При малейшем изменении положения ворсинок сопротивление меняется, что и является основой работы датчика. Созданный авторами прототип оказался способен фиксировать давление всего в 5 паскаль, что соответствует воздействию тела весом в 510 грамм на площадь в один квадратный метр.

Уникальность сенсора заключается в том, что, анализируя изменение сопротивления, авторы научились различать разные способы механического воздействия: давление, сдвиг и кручение. Таким же свойством обладает и кожа животных, но искусственные сенсоры до сих пор были на это не способны. Инженеры продемонстрировали способности прототипа, записав перемещение по нему божьей коровки и течение капли воды. Кроме того, при установке на запястье человека, детектор оказался способен определять пульс. Ранее другая группа инженеров научила роботов различать поверхности, текстуру которых не может отличить даже человек. Разработка опиралась на обычные, коммерчески доступные сенсоры и касалась только оптимизации алгоритмов, при помощи которых роботы ощупывают материалы и анализируют полученные данные».

«Замок педальный: двойная защита небезупречна», утверждает 17 июля www.popmech.ru. «Легким движением снимите педали и защелкните на колесе: оригинальный велозамок не даст злоумышленникам увезти вашего любимого друга.

Наш мир далек от совершенства, и каждый владелец велосипеда вынужден помнить о возможности его лишиться, а в крупных городах подобное воровство случается сплошь и рядом. Неудивительно, что большинство велосипедистов постоянно возят с собой «противоугонные устройства» разных конструкций и сложности, от простейших стальных тросиков с кодовым замочком до прочных цепей с тяжелым замком. Оригинальную конструкцию велозамка предложили тайваньские дизайнеры Сун Фэн (Tsung Feng) и Юй-Тин Чэн (Yu-Ting Cheng): в их проекте Pedal Lock роль эту играют съемные педали. Помимо того, что без них укатиться на велосипеде затруднительно, педали еще и защелкиваются на ободе колеса, не позволяя и так просто укатить любимый колесный транспорт.

Собственно, в специальных педалях и заключен весь секрет: на своем обычном месте они ничем не отличаются от обычных, однако при необходимости оставить велосипед на парковке, они снимаются и замыкаются на ободе. Весь процесс состоит из шести простых шагов и занимает (по словам разработчиков) не более 15-ти секунд. Короткие, но достаточно толстые металлические стержни закрепляются замком: при попытке вскрыть его злоумышленник скорее разломает сами педали, чем стержни, - и в итоге все равно не сможет быстро скрыться на украденном велосипеде. Впрочем, ничто не помешает более подготовленному воришке просто забросить велосипед, не прикрепленный к какому-нибудь неподвижному объекту, в кузов машины или просто унести его, пока никто не заметил. Панацеи от веловоровства по-прежнему не существует».

Раздел КУРЬЕЗНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ по повелению автора возобновил свою работу.

«Удар молнии: ток по линии» описан 6 июля на www.popmech.ru. «Американские военные разрабатывают проект нового оружия, которое готово поразить противника молнией, управляемой лазером. Работы по проекту LIPC (Laser-Induced Plasma Channel, «Индуцированный лазером плазматический канал») ведутся в исследовательском центре Picatinny Arsenal. Суть его достаточно проста: научиться направлять удар молнии вдоль канала, проводящего электричество лучше воздуха или почвы – плазменного. В состоянии плазмы вещество представляет собой раскаленные заряженные ионы, она формирует канал вдоль лазерного луча, распространяющегося в атмосфере. Лишь бы силы луча лазера хватило – для этого используются мощные фемтосекундные лазеры, создающие краткие импульсы колоссальной интенсивности. По этому плазменному каналу заряд распространяется намного легче, чем в окружающем его неионизированном воздухе, туда устремляется и молния. Теперь достаточно направить такой луч на цель, создав канал, по которому может распространяться молния, которая и поразит противника не хуже молота Тора.

Принцип прост, но технические трудности, с которыми приходится сталкиваться создателям такого оружия, исключительно сложны. В конце концов, энергии для работы такой установки – включая генератор, создающий собственно молнию – требуется так много, что пока что оно выглядит слишком затратным. Чем закончится работа в исследовательском центре Picatinny Arsenal, сказать трудно, но инженеры и конструкторы сообщают о некоторых «значительных прорывах», продемонстрированных в нынешнем году. В чем они состоят – не разглашается: секретно».

«Гость из будущего: ОМГ, ОБЧР!» - является нам в заметке от 6 августа на www.popmech.ru. «В Японии представлен огромный человекоподобный боевой робот. Пожалуй, единственное, чего недостает этому агрегату войны, - это шагающих ног. Движется он на колесах, в двух режимах, с обычной и с низкой посадкой, а дизельный двигатель позволяет ему разгоняться до 10 км/ч. В остальном – пожалуйста, солдат будущего прибыл. Это первый продукт новой компании Suidobashi Heavy Industry, созданной известным японским художником и изобретателем. Детище Когоро Кураты (Kogoro Kurata) достигает в высоту 4 м при весе 4,5 т. Знакомьтесь: боец Kuratas, тот самый «огромный человекоподобный боевой робот», управляемый сидящим внутри, за защитными панелями оператором.

Впрочем, следуя современной традиции, можно обойтись и без него. В качестве альтернативы Kuratas готов подчиняться и командам со смартфона, подаваемым с помощью специального программного обеспечения V-Sido и через сеть 3G (есть возможность использовать и манипулятором Kinect). Однако воевать, сидя в кокпите такой машины, конечно, круче. Сенсорный экран позволяет управлять перемещениями робота, рычаги с гашетками – работой неплохо вооруженных конечностей. В смысле вооружений Kuratas не разочарует: на его борту вместо ракет – гидропушки LOHAS, способные выстреливать пластиковыми баллонами с водой на расстояние до нескольких метров (хотя впоследствии ничто не помешает заменить их настоящими ракетными установками или гранатометами). Имеются и роторные пулеметы – по заявлению, уже вполне настоящие, способные делать до 6 тыс. выстрелов в минуту, хотя в стрельбе их так и не продемонстрировали.

Стрельба начинается в ответ на команду сидящего в кокпите оператора: сигналом служит его… улыбка. Инженеры обещают вскоре снабдить машину средствами отслеживания живых целей и вскоре предложить робота покупателям по цене от 1,523 млн долларов. При этом будет предоставлены широкие возможности адаптации Kuratas под задачи конкретного клиента – и просто его вкусы: боевые роботы могут поставляться в различных веселеньких расцветках. Какой бы она ни была, вспомните о 4,5 т металла и композитов, прибавьте 30 мощных гидравлических сочленений – и вы поймете, как внушительно выглядит будущее. Для улыбки просто нет повода».

 

Еще раз оглядел я двухмесячный летний обзор новостей. Уважаемые читатели, а вас лично не смущает наличие в вашем генофонде неандертальских генов? По-моему, эти гены никак не мешают нам заниматься созиданием. Но почему тогда так неистребимо желание некоторых творцов использовать молнию как оружие и создавать боевых роботов? Изобретали бы лучше новинки к коням педальным... До встречи в следующем месяце!

 

 

RSS-материал