Самые интересные открытия 2015 года
Можно ли все эти устройства назвать прорывами? Наверно, не всегда. Если 3D-принтеры однажды сравнятся по скорости (еще хорошо бы по цене) с обычными двухмерными — это будет прорыв, который, пожалуй, изменит весь мир материальной культуры. Если пуля сама будет находить свою жертву, независимо от навыков стрелка, это тоже будет прорыв, правда, в не самой приятной для человечества области. Но даже новинки, которые вроде бы не содержат в себе радикальных новшеств — например, рука-манипулятор с мягким захватом или мини-дрон в защитной клетке, все равно мало-помалу меняют нашу жизнь и возбуждают фантазию других изобретателей и новаторов. О том, как их идеи обогатят жизнь человечества, мы прочитаем ровно через год.
Твердый захват мягкой подушкой
В мире существует множество различных роботизированных рук, на разработку которых были затрачены огромные денежные ресурсы и ушла уйма времени. Они способны поднимать разные предметы, аккуратно обхватывая их тщательно откалиброванными механическими пальцами — будь то крошечный щенок или деталь реактивного двигателя. «В мире осталось не так много предметов, для которых еще не созданы специальные роботизированные механизмы захвата», — рассказывает Билл Калли, глава существующей уже три года бостонской компании Empire Robotics. Калли и соучредитель компании Джон Эменд поставили себе задачу создать манипулятор, который мог бы поднимать различные предметы с заданной скоростью и точностью, но чтобы при этом не приходилось всякий раз менять насадки-захваты. В результате они сконструировали руку, которой насадки и вовсе не нужны. Они назвали свое творение Versaball («Универсальный шар»). «Шар» способен поднимать предметы до 25 см в диаметре менее чем за 0,7 секунды.
Как он устроен?
1. Манипулятор Versaball представляет собой мешок из эластомера, который заполнен синтетическими гранулами. Когда клапан пропускает воздух внутрь, твердые частицы легко перемещаются. Читать далее
2. Опустившись на объект захвата, подушечка свободно принимает его форму.
3. Клапан закрывается, воздух из подушки откачивается, твердые гранулы перестают перемещаться — манипулятор как бы затвердевает. Происходит захват объекта.
4. Когда необходимо отпустить объект, клапан впускает воздух внутрь подушки, гранулы снова начинают перемещаться, и объект освобождается от захвата.
Скоростная 3D-печать
Технология трехмерной печати навсегда изменила наши представления об изготовлении деталей «на заказ», но у нее есть существенный минус — она весьма затратна по времени. Этот недостаток может навсегда остаться в прошлом.
Современные принтеры работают по аддитивной технологии: при печати пластиком устройство нагревает материал картриджа, аккуратно наносит его на поверхность и сушит образовавшийся слой. Закончив с одним, печатающая головка переходит к следующему. Таким образом, шаг за шагом создается новый объект. На печать небольшого пластикового шарика может понадобиться несколько часов.
Однако на помощь пришло… кино. Группа ученых-химиков и физиков под руководством Джозефа Десимона из Университета Северной Каролины (США), вдохновившись образом жидкометаллического робота T-1000 из фильма «Терминатор 2: Судный день», полностью пересмотрела принцип, заложенный в основу 3D-печати. Основанная ими компания Carbon3D разработала технологию CLIP (Continuous Liquid Interface Production), в основе которой лежит использование фотополимерных смол, затвердевающих под воздействием света и переходящих в жидкое состояние в присутствии кислорода. На начальном этапе пластина-основание погружается в плоскую емкость, заполненную смолой. На дне емкости оборудовано окошко — через него на поверхность пластины проецируется профиль, соответствующий сечению создаваемого предмета. Смола затвердевает, пластина постепенно поднимается вверх, излучение проецирует очередной профиль, и объект печати будто вытягивается из емкости с жидкостью]. С помощью кислородной мембраны удается избежать затвердевания смолы на дне емкости. По окончании процесса остается лишь отрезать готовый объект от пластины и смыть остатки смолы. Как и при обычной 3D-печати, наблюдение за работой CLIP-принтера завораживает, при этом он печатает в 25−100 раз быстрее своих традиционных собратьев. По утверждению Carbon3D, технологию CLIP можно использовать для широкого класса полимеров с разными свойствами — от пористых до необычайно твердых.
Протез «Сделай сам»
Истон Лачаппель решил навсегда покончить с непомерно высокой стоимостью протезирования. Чтобы осуществить свою задумку, он сконструировал прототип искусственной конечности, потратив совсем немного денег: все работы он проводил прямо у себя в комнате. Но Истон не остановился на достигнутом, совершив еще более удивительный поступок: он выложил свой проект в открытый доступ в интернет, совершенно бесплатно.
Как-то раз, еще подростком, Истон познакомился с семилетним ребенком, у которого вместо руки был протез стоимостью $80 000. После этой встречи юноша твердо решил изобрести собственную замену руке — достаточно продвинутую в техническом плане и в то же время доступную по цене. Для сооружения прототипа Истону понадобилась леска, детали конструктора LEGO, несколько моторчиков от игрушечных самолетов и электрические провода — закупка материалов обошлась всего $400. В следующих версиях он применил детали, напечатанные на 3D-принтере, и подключил к ним несколько электродов, считывающих управляющие сигналы мозга. Это изобретение прославило своего создателя, а мультимиллионер Энтони Роббинс обеспечил Истону начальный капитал для стартапа. Благодаря мощной поддержке в 2014 году молодой бизнесмен основал компанию Unlimited Tomorrow, которая продолжила развивать проект RoboArm, а также занялась разработкой экзоскелета для людей, страдающих параличом нижних конечностей. Потребность в дешевых протезах в США постоянно росла, но чтобы вывести такой товар на рынок, требуется одобрение специального ведомства. Получить его — дело долгое. И тогда Лачаппель объявил, что Unlimited Tomorrow открывает бесплатный доступ к проекту первой версии RoboArm на своем официальном сайте. «Мы не могли больше ждать и решили дать возможность изготовить протез всем, кто в нем действительно нуждается», — прокомментировал свое решение Истон.
За чашкой в космосе
Члены 30-й экспедиции пьют чай из первой модели космической кружки (2012 год)
Первая и вторая (справа) модели космической кружки
Доналд Петтитастронавт NASA, проводивший серию экспериментов на борту МКС по изучению капиллярных сил совместно с физиком Марком Вейслогелом из Портландского университета (США). Результатом этих опытов стали совместно изобретенные космические кружки.
Теперь прямо на борту МКС можно пить кофе из кружки. И вот как эта кружка устроена. Если погрузить трубочку в чашку с напитком на Земле, то жидкость заполнит ее и даже поднимется чуть выше (благодаря капиллярному эффекту, возникающему из-за разницы давлений в образовавшемся за счет смачивания стенок трубки вогнутом мениске). Изменяя геометрию трубки, можно добиться, чтобы жидкость поднялась вверх до самого края, остановившись в ожидании, когда ее выпьют. На орбите в условиях невесомости роль трубочки играет узкий канал, образованный двумя стенками космической кружки, примыкающими друг к другу под небольшим углом. Этот угол уменьшается по направлению от днища кружки к верхнему ободку, здесь возникает нечто вроде острого носика. Разница в капиллярных силах толкает жидкость снизу вверх, пока она не остановится у этого носика — точь-в-точь как в случае с обыкновенной трубочкой на земле. Так устроена космическая кружка первого поколения. Во второй версии дизайна у кружки уже нет острых углов. Ее округлые формы смыкаются в передней части, образуя вытянутый носик с заостренным кончиком наверху. Чтобы выпить из такой кружки, ее не надо наклонять — достаточно лишь прикоснуться к носику губами, и кофе сам устремится к вам в рот под действием капиллярных сил. Надеюсь, этим изобретением покорители космоса будут пользоваться и через 400 лет, пусть даже имя автора будет забыто.
«Крепкий орешек» пролетит повсюду
Современные дроны успешно выполняют несколько функций:
1 — шпионят за врагами,
2 — подглядывают за друзьями,
3 — доставляют легкие посылки на короткие расстояния,
4 — спасают человеческую жизнь.
Последний пункт подтолкнул Эдриана Брайода и Патрика Севоза, окончивших Федеральную политехническую школу Лозанны (Швейцария), к идее создания дрона Gimball. Внимательно изучив многочисленные неудачи поисковых летающих роботов-спасателей при ликвидации аварии на «Фукусиме» (они не сумели добраться в труднодоступные места через заваленные проходы), молодые инженеры создали улучшенную модель. Их Gimball окружен рамой из углепластика, защищающей его пропеллеры от повреждения. Выглядит рама как своеобразная клетка, закрепленная в трехосевом кардановом подвесе, так что если аппарат и натолкнется на что-то в полете, то она примет удар на себя, позволив дрону удержаться на лету. На борту устройства установлена ударопрочная камера с высоким разрешением, способная передавать изображение в реальном времени и записывать видео. Она выдерживает столкновения на скорости до 15 км/ч, так что Gimball может проникнуть практически всюду — даже туда, где не пройдет человек. Ранее в этом году основанная Брайодом и Севозом компания Flyability победила в соревновании UAE drones for Good в Дубаи и выиграла приз в $1 млн.
Пульс Мирового океана
Коралловые рифы очень чувствительны к температуре и химическому составу воды (повышенному содержанию углерода). Вверху показан здоровый пестрящий красками коралл, внизу — бесцветный риф, который полностью вымер
Двое инженеров из Монтаны (США) открывают новые возможности для изучения Мирового океана
Монтана — крупный штат на севере США на границе с Канадой, с красивой природой, но не имеющий выхода к морю. Однако это ничуть не смутило химика Майка Деграндпре и инженера-механика Джеймса Бека из города Миссулы, основавших компанию Sunburst Sensors, которая удивительным образом оказалась на переднем крае океанологических исследований.
Два года назад Sunburst подписалась на участие в двух конкурсных проектах фонда X-Prize. В одном из них требовалось создать высокоточный pH-сенсор, способный работать на глубине до 3 км. В другом датчик должен был измерять pH на малых глубинах с превосходящей существующие аналоги точностью и при этом стоить не более $1000. В этом году стало известно, что Sunburst обошла конкурентов в обоих заданиях и выиграла $1,5 млн.
За последние 115 лет температура поверхности мирового океана повысилась на 0,8°С, а уровень pH снизился на 0,1%. Такие изменения могут стать роковыми для коралловых рифов, моллюсков и прочей морской живности — этот негативный эффект затронет всех без исключения обитателей мирового океана.
Для победы над конкурентами Sunburst модифицировала свой pH-сенсор SAMI (погружной автономный датчик стационарного типа). Новый титановый корпус надежно защищает внутренние части SAMI от высокого давления на большой глубине, а после замены дорогих компонентов более дешевыми аналогами и пересмотра принципов работы устройства у Джеймса и Майка получился более точный и эффективный аппарат со стоимостью ниже, чем у конкурентов.
Благодаря этому прибору ученые смогут изучать изменения уровня кислотности океана в глубинных слоях — там, где исследования еще никогда не проводились.
Робот-гепард научился прыгать
В 2013 году робот Cheetah («Гепард»), разработанный инженерами Массачусетского технологического института (США), наделал много шума. Робот уже научился бегать без посторонней помощи, а теперь инженеры оснастили его своеобразными «глазами» — лидаром, с помощью которого он может «видеть» и успешно преодолевать препятствия, перепрыгивая их на скорости около 8 км/ч. Делает он это без всякого вмешательства человека. Изначально робот создавался в интересах военных, однако разработчики видят мирное будущее для своего детища. Только представьте, что вы сможете путешествовать без привязки к ровным асфальтированным дорогам! Людям с ограниченными возможностями не понадобятся инвалидные коляски, а в случае природных бедствий можно будет тут же отправить спасательные отряды на помощь.
Тест на поиск взрывчатки
Часто для успешного разминирования саперам необходимо проанализировать образец вещества, с которым они имеют дело. На отправку в лабораторию и ожидание результата уходит драгоценное время — чтобы определить, взрывчатка ли это, смертельно опасный токсин или безобидное химическое соединение, может понадобиться несколько часов. К тому же сама транспортировка образца представляет дополнительный риск. В этом году компания Thermo Fisher Scientific объявила о создании прибора Gemini — первого переносного спектрометра, соединившего в себе две технологии по определению химического состава вещества. При помощи Рамановской спектроскопии (комбинационного рассеяния) можно измерить, сколько света рассеивает материал. Этот метод хорошо подходит для работы с прозрачными контейнерами, жидкостями и флуоресцирующими порошками. Вторая технология, встроенная в Gemini, — инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR). Она лучше подходит для анализа цветных материалов и светящихся образцов. Вес Gemini не превышает 2 кг.
Бетон против террора
В апреле 2013 года ранним утром злоумышленники перерезали телекоммуникационные кабели вблизи распределительной подстанции Меткалф энергокомпании Pacific Gas and Electric неподалеку от города Сан-Хосе (Калифорния, США). Затем, выстрелив из снайперской винтовки, они один за одним вывели из строя семнадцать трансформаторов, обеспечивающих электроэнергией Кремниевую долину. Спустя тридцать минут они скрылись, нанеся ущерб размером около $15 млн.
Эта история о дерзком нападении не получила широкой огласки, однако она отчетливо продемонстрировала уязвимость энергосистемы США. Для обеспечения безопасности Федеральная комиссия по регулированию энергетического сектора (Federal Energy Regulatory Commission) потребовала от всех участников бизнеса защитить принадлежащие им подстанции, но при этом не предоставила конкретных инструкций, как именно повысить их защиту. В этом году компания High Impact Technology из Орегона предложила подходящее решение: оградить объекты бетонными стенами толщиной 10 см, способными выдержать взрыв бомбы, укрыть оборудование от пуль, ураганного ветра (до 190 км/ч) и защитить от пожара (до 1200°С). В 1930—1960-е годы о таком никто бы и не подумал: тогда не боялись терроризма.
Необыкновенные свойства построенным HIT стенам придает особая арматура из композитного материала, по прочности в два раза превосходящая сталь, — она-то и формирует основу высокопрочного бетона. Снаружи стену защищает обрезиненная оболочка, которая отлично гасит энергию пуль и осколков от взрыва. Для полной остановки пули требуется 20-сантиметровый слой обычного бетона, а по технологии HIT будет достаточно и 7,5 см. Еще 2,5 см пришлось добавить для того, чтобы стена выдерживала ветровые нагрузки.
