Редкий распад бозона Хиггса. Рентген для атома. Робокожа и робопчёлы. Новости QWERTY №261
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. Меня зовут Владимир. Орнитоптеры, несмотря на скептические комментарии к одной из новостей про орнитоптеры, я все равно буду ставить ударение в этом слове именно так, потому что это правильно. На аракесе были орнитоптеры. Про них, а точнее, почти про них, опять есть новость.
Кроме обычных беспилотников, в последнее время активно развиваются миниатюрные летательные аппараты, размеры которых буквально с насекомых. Сфер для применения у них множество: на вскидку — наблюдение, замена пчелам, спасательные работы. Но на таких масштабах винты уже не работают, поэтому их заменяют крыльями, чаще четырьмя. Вместо двигателей используются пьезоэлектрические актуаторы.
И вот представьте себе, что этим аппаратом нужно управлять по нескольким осям. Тангаж — окей, с ним тоже все в порядке. А вот рыскание относится, так сказать, к точкам роста для миниатюрных роботов. Но теперь и эта задача наладить рыскание решена. Она была реализована на улучшенной версии робо-пчелы B + микроорнитоптер, увидевшего свет в 2019 году. Эта малышка пока что получает питание по проводу, поскольку прототип. Для защиты от столкновений у нее есть восемь штырей. Масса аппарата чуть меньше 100 мг. Управляется и приводится в движение он при помощи четырех крыльев, каждая из которых соединена со своим актуатором.
Предвижу ваш вопрос: как только при помощи крыльев можно управлять рысканием? Ведь у крыльев нет управления углом установки, и прямо сейчас я отвечу на этот вопрос. Ведь именно на такие каверзные вопросы и призваны отвечать самые интересные новости науки предыдущей недели. И, как обычно, все ссылки на источники и подробности в описании.
Итак, и тангажом, и креном, и даже рысканием можно управлять, изменяя плитуду движения у пар крыльев в разных сочетаниях. В чем-то это похоже на принцип управления квадрокоптерами, но чуть сложнее. Например, нужен крен — притушим боковые крылья. А вот для изменения рыскания изменим амплитуду у крыльев, расположенных по диагонали. Просто? Но для маневренности этого было недостаточно. Поэтому у новой версии робо-пчелы улучшили тягу более чем в два раза за счет увеличения частоты махов до 160 в секунду. Без тяги и без хорошего контроля за положением корпуса она не смогла бы выписывать такие сложные фигуры. Например, скорость разворота у аппарата целых 1800 градусов в секунду. И это все похоже на характеристики дрозофилы.
Не хватает сейчас сенсоров, и когда их на нее установят вместе с аккумулятором, она станет полноценным автономным роботом, способным на решение конкретных практических задач и которого можно будет случайно прихлопнуть, как какую-нибудь поделку.
С тех пор как рентген открыл рентгеновские лучи, они нашли свое применение практически везде: от медицины до проверок безопасности в аэропортах. Даже марсоход "Кюриосити" от NASA оснащен рентгеновским прибором для исследования химического состава камней на Марсе. Да, рентгеновское излучение применяется в том числе для определения типа материалов в образце, но детектор всегда нуждается в каком-то минимальном количестве вещества, чтобы определить его состав. Со временем, для синхротронных источников рентгеновского излучения, минимальное количество материала для рентгеновского обнаружения сократилось до 100 граммов, что составляет около 10 тысяч атомов.
С тончайшими металлическими детекторами предел снижается до нескольких десятков атомов. А вот дальше уже все равно нельзя, потому что рентгеновский сигнал от образца становится слишком слабым. И вот теперь, впервые, учёные смогли получить идентифицировать рентгеновскую сигнатуру от отдельного атома. Для этого они использовали специальный рентгеновский детектор, у которого, дополненной к стандартным деталям, присутствовала острая металлическая игла, расположенная очень близко к образцу.
Она работает так же, как в туннельном микроскопе, регистрируя электрические токи от туннелирующих между образцом и иглой электронов. Во время излучения основного детектора рентгеновские фотоны возбуждают электроны сканируемом атоме. При этом они переходят на более высокие орбитали, а значит, ток между атомом и иглой тут же изменяется. Получается, как бы, определенная картина атома. А так как она уникальна для каждого элемента и для каждого его состояния, то можно определить не только сам атом, но и его текущее химическое состояние.
Эта техника, известная как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия, позволила исследователям обнаружить тип и химическое состояние отдельного атома. В экспериментах это были атомы железа и тербия. Достижение открывает путь к более глубокому пониманию свойств материалов на атомарном уровне и приведет к появлению новых технологий.
Также на его основе был разработан новый метод, который позволяет исследовать ориентацию орбиталей отдельной молекулы на поверхности материала с помощью синхротронных рентгеновских лучей. Исследователи говорят, что теперь можно ожидать ряда прорывов в науке и технологиях. Что-то точно грядет в материаловедение.
Помните шумиху вокруг бозона Хиггса — "частицы Бога"? Когда ее нашли в 2012, стандартная модель получила еще одно свое подтверждение. Но мало зафиксировать частицу; можно было еще проверить, насколько ее реальные характеристики соответствуют расчетным. Это и челлендж для физиков, потому что часть событий довольно редкие. Одновременно — Надежда, ведь любые отклонения получаемых при экспериментах данных от идеальных расчетных несут в себе шанс эту самую стандартную модель поколебать и шагнуть за ее пределы к новой физике.
Помните эксперимент "Muon g-2", который измерил аномальный магнитный момент миона, частицы, в 200 раз более тяжелой, чем электрон? Экспериментальное значение тогда не совпало с теоретическим, и учёные задумались: надо ли им расширять стандартную модель или создавать новую физику с большой буквы. С Хиггсом могло быть также; его тестировали с 2012 года на Большом адронном коллайдере, отслеживая его нестандартные распады. Обычно он распадается на пару ботом-кварк-ботом-антрикварк. Может распадаться на пару фотонов или даже на две пары электрон-позитрон и миллион антимион. Но также он должен иногда распадаться на Z-базон и фотон, чему, собственно, подтверждение ранее не было.
Частота этого события всего 0,15 процента. И вот, по завершению длительного эксперимента, участники коллаборации ATLAS и CMS заявили, что редкий распад базона Хиггса на Z-базон и фотон был таки зарегистрирован. Правда, у этого события нет статистики в зависимости в 5 сигма, что является золотым стандартом в науке, но 3,4 сигма все-таки удалось набрать. И, учитывая редкость этого события, ученые посчитали, что этого будет достаточно. То есть бозон Хиггса не выбивается из рамок, заложенных стандартной моделью. Отклонение в значениях не произошло, и надежды некоторых ученых, вероятно, порушились.
Думается, что случись иначе, то непредсказанные стандартные модели частицы, которые получились бы при распаде бозона, могли бы стать отправной точкой для многих процессов, например, для поиска темной материи. Но нет, и темную материю придется теперь искать как-то иначе, а стандартная модель получила еще одно достаточно весомое подтверждение. Хотя, конечно, не значит, что подтверждать более нечего, потому что есть и еще более редкие варианты распадов. Так что welcome!
Как говорится, к более интересным новостям. В предыдущем выпуске вы признали новость про то, что ученые соединили цифровым мостом мозг и позвоночник парализованного человека, позволив тому ходить, причем даже по наклонным поверхностям. Для этого ему ввели электроды в мозг и в спинной мозг, а на спину повесили рюкзак с процессором, обрабатывающим сигнал мозга и подающим управляющие сигналы в спинной мозг. По шаблонам стимуляции, паттерны были получены во время обучения компьютера на реабилитационных сессиях пациента.
У этого достижения есть одно "но": ученые не до конца понимают, как оно работает, ведь даже при отключенном цифровом мосте пациент, ходивший с ним более двух лет, все равно способен передвигаться. То есть у него, в какой-то степени, восстановились нервные связи. Но какие связи? Какой регион головного мозга воссоединился с каким участком спинного мозга — это сейчас не ясно, и это нужно выяснить.
Несмотря на все эти неясности, понятно, что технологии начинают помогать при таких сложных травмах, как травмы спинного мозга. Но что если совсем лишаешься своей конечности? Разумеется, уже есть протезы, которые соединяются с мозгом и получают от него команды. Ряд протезов обладает обратной связью и позволяет определять давление или температуру, но ощущения, передаваемые такими протезами, далеки от естественных.
Представьте, что вместо привычного чувства, что пальцы сжимают какой-то предмет с определенным усилием, вы чувствуете что-то вроде покалывания. Так что простор для изобретения здесь, конечно же, имеется. И одна из последних разработок из Стэнфорда — это как раз особенная искусственная кожа. Она полностью эластичная, мягкая и безопасная для человека. Она работает на напряжении всего 5 Вольт. Наверняка, вы в бытовых условиях такой ток даже не чувствуете. Обычно же искусственная кожа из предыдущих разработок работает на напряжении от 30 Вольт и выше.
Это стало возможным за счет сложного состава новой кожи. Она состоит из трех слоев, один из которых — это синтетический каучук. В каждом из слоев имеются многочисленные сенсоры давления, растяжения и температуры. При помощи миниатюрных транзисторов сигналы от датчиков превращаются в электрические сигналы, удобоваримые для человеческого мозга. Ну а уж соединять кожу и мозг ученые умеют при помощи различных нейроинтерфейсов.
Интересно то, что эта искусственная кожа получилась толщиной всего лишь в микрон. А это очень мало, поэтому к ней пришлось добавить дополнительный слой, чтобы она стала толщиной хотя бы с лист бумаги. Крысы с искусственной кожей на ноге чувствовали раздражение от стимуляции.
Сигнал от кожи поступал в мозг через искусственный нерв, точнее, через искусственный синапс, а затем тоже через искусственный синапс из мозга шел к ноге. К ноге искусственный синапс нужен был для чистоты эксперимента, ведь таким образом имитируются различные повреждения. И здесь была симуляция разрыва связи между мозгом и ногой. Важно, реакция была пропорциональна стимулу, то есть чем сильнее раздражали искусственную кожу, тем сильнее дергалась нога.
Осталось только добавить беспроводные интерфейсы и обучение для различных частей тела, и можно переходить к экспериментам на человеческих протезах. Ну что ж, а на этом на сегодня все! Большое спасибо вам за просмотр. Мне будет очень приятно, если вы поделитесь этим роликом со своими друзьями, поставите ему лайк и напишите комментарий. Проголосовать за самые интересные новости этого выпуска можно, как обычно, в нашем Telegram-канале. И до скорых встреч! Пока!