Только вперёд! Новые технологии

1.

Только вперёд!
Исхакова Гузель Ильдусовна

2.

Хаптика
2

3.

Аристотель в трактате «О душе» писал: «Осязание (haphe) же
получается от непосредственного соприкосновения (haptesthai)
с предметами, поэтому оно и носит это название».
3

4.

Для современных технологий умение управлять
хаптикой
не
менее
важно,
чем
звуком
и изображением. Прикоснитесь к сенсорному экрану
своего смартфона — что ощутили кончики ваших
пальцев?
Одно из главных направлений хаптики — разработки,
связанные с передачей ощущений от машины
человеку.
4

5.

Брэйнмэппинг / Brainmapping
5

6.

Метафорически мозг можно представить в виде очень
запутанного лабиринта. Чтобы понять, как мы мыслим, почему
возникают когнитивные расстройства, нужно изучить устройство
лабиринта.
Это пытаются сделать молекулярные биологи, генетики,
физиологи, психологи etc. Они исследуют мозг каждый своими
методами, собирая данные о его структуре, клеточном
и биохимическом составе, работе генов, электрическом
потенциале разных участков, паттернах поведения. Чтобы
помочь учёным действовать сообща и, как следствие,
продуктивнее, биоинформатики занялись брэйнмэппингом —
составлением «карты» данных о работе мозга.
проекты: российский «CoBrain-Аналитика», европейский Human
Brain Project, американский Brain, японский Brain/MINDS.
6

7.

Компьютерное зрение / Computer vision
7

8.

Чтобы обрести способность видеть, машине недостаточно
глаз — нужны ещё «мозги», которые распознают объекты
и ситуации.
Компьютерное зрение — область прикладных исследований
и технологических разработок, связанных с этой
способностью. Самая известная задача такого рода —
научиться по фотографии или видео делать выводы
о картинке: например, определять изображённого на ней
человека или марку машины.
Недавний прорыв в решении этой задачи связан
с развитием метода глубокого обучения нейросетей. Его
особенность в том, что человек не задаёт признаки
распознаваемых объектов — нейросеть программирует себя
сама, обучаясь на тысячах или миллионах примеров. Уже
сейчас машины узнают многие объекты, в том числе лица,
лучше людей. И конечно, они делают это во много раз
быстрее и не забывают увиденное.
8

9.

Квантовое машинное обучение /
Quantum machine learning
9

10.

Идея машинного обучения заключается в том, чтобы компьютеры не только
выполняли команды, но и учились находить ответы на задачи, не имеющие
готового решения. Например, изначально нейросеть — математическая модель,
построенная по принципу работы мозга, — не способна увидеть разницу между
кошкой и собакой, но когда «пропустит через себя» тысячи изображений кошек,
научится отличать их от других животных.
Есть гипотеза, что в будущем машинное обучение станет ещё более эффективным
благодаря квантовым компьютерам, использующим для передачи и обработки
данных явления квантовой суперпозиции и запутанности.
10

11.

В таких устройствах аналогами битов выступают кубиты, что
позволяет проводить параллельные вычисления. Возьмём так
называемую задачу коммивояжёра — построить наиболее
выгодный маршрут, который хотя бы один раз проходит через
указанные города и в конце приводит в исходную точку.
Обычный компьютер решал бы эту задачу, перебирая варианты
по очереди, а квантовый — параллельно, поэтому
и справился бы намного быстрее.
Полноценного квантового компьютера пока нет, но учёные всего
мира работают над его созданием. Квантовые алгоритмы
обработки информации открывают принципиально новые
возможности и могут превзойти самые эффективные
классические алгоритмы, использующиеся в машинном
обучении.
11

12.

Квантовая гидродинамика / Quantum hydrodynamics
12

13.

Это когда классическая гидродинамика (раздел физики, изучающий
движение идеальных и реальных жидкостей и газа) встречается
с квантовой механикой. Такое случается в самых разных системах:
в жидком гелии и холодных атомах, полупроводниках и магнитных
системах, системах равновесных и не находящихся в состоянии
термодинамического равновесия.
В области квантовой гидродинамики работали многие известные
учёные, в частности нобелевский лауреат Пётр Капица. Он обнаружил
у гелия парадоксальное свойство: при охлаждении до температур,
близких к абсолютному нулю, жидкий гелий не только не становится
твёрдым, но и теряет вязкость, переходя в состояние сверхтекучести. Что
интересно, если сверхтекучую жидкость налить в стакан и размешать,
она будет вращаться вечно — из-за отсутствия силы трения.
Методы квантовой гидродинамики используются при изучении систем,
где нарушаются законы классической физики. Обычно они имеют
приставку «нано-».
13

14.

Умные электрические сети / Smart grid
14

15.

Попытайтесь представить, какой путь прошёл электрический ток,
прежде чем у вас в комнате загорелся свет: электростанции разных
типов, линии электропередачи, подстанции, трансформаторы
и много чего ещё. Напоминает организм со своими законами,
возможностями и угрозами.
15

16.

Трудноизвлекаемые углеводороды /
Unconventional gas and oil
Сколько бы человечество ни качало из земли нефть и газ, в недрах остаётся
ещё много. Только добывать всё труднее — отсюда и термин
«трудноизвлекаемые углеводороды». Речь идёт о запасах, воспользоваться
которыми в данный момент нельзя — слишком сложно и дорого. Например,
в мире есть немало месторождений, где нефть содержится в плотных
породах типа сланцев и просто так выкачать её невозможно. То же самое
с газом, который в зоне вечной мерзлоты надёжно заключён
в кристаллическую решётку воды.
Чтобы сделать такие запасы доступными, учёные и инженеры
разрабатывают новые методы добычи, радикально отличающиеся
от традиционных.
«Из новостей будущего: согласно новому отчёту Review of World Energy,
добыча нетрадиционных видов нефти и газа впервые в истории превысила
добычу привычных углеводородов».
16

17.

Перезаряжай и властвуй
17

18.

Нобелевская премия по химии за
2019 год стала единственной из
научных
премий,
которую
предугадали эксперты, ставившие на
создателей литиевых батарей как
наиболее достойных в этом году
награды.
Премию им присудили за создание
всем хорошо известных литиевых
батарей, без которых сегодня не
обходятся разного рода гаджеты и
девайсы,
электромобили
и
«хранители» энергии, получаемой от
возобновляемых
источников,
например солнечных батарей и
ветряков.
Ее удостоен интернациональный
коллектив.
Он
состоит
из
натурализовавшегося в США немца
Джона Гуденоу, родившегося в Йене,
англичанина Стэнли Уиттингема из
Линкольншира и японца Акиры Ёсино,
который родился в небольшом городе
Суйта неподалеку от Осаки.
18

19.

Отцом идеи и первого ее воплощения считается Уиттингем, о чем Гуденоу рассказал
в своей статье «Как мы сделали литий-ионную батарею» в журнале Nature Electronics
(2108, № 1, 204 p.).
Идея создания родилась в 1970-е на фоне нефтяного кризиса.
Известно, что электроны перемещаются от отрицательно заряженного катода с его
избытком электронов к положительно заряженному аноду.
Поначалу отец первой литиевой батарейки Стэнли Уиттингем использовал для катода
сульфид титана (TiS2) и получил приличный для того времени вольтаж – 2 В. Анод
батарейки был сделан из металлического лития. Этот щелочной металл обладает
высокой реакционной способностью и активно взаимодействует с водяными парами
и кислородом воздуха, что создавало проблемы с безопасностью. (В школьных
кабинетах физики куски этого металла хранят в сосудах под слоем керосина.)
19

20.

Идею подхватил Гуденоу, который еще в 1980 году показал, что
использование в качестве катода оксидов металлов, в частности
оксида кобальта (СоО), позволяет повысить напряжение до 4 В, то
есть в два раза больше. Это было существенным прорывом,
позволявшим надеяться на то, что возможны и более мощные
батареи литиевого типа. Дело дошло до того, что немца стали
называть «убийцей» батареи Уиттингема.
20

21.

И тут в гонку включился Ёсино. Он заменил оксид кобальта на
более сложный по составу оксид лития с тем же кобальтом
(LiCoO2) и ввел в электролит полупроницаемую мембрану,
препятствующую обратному переносу литиевых ионов от анода
к катоду. Батарею японца называют «вторичной» (secondary),
потому что ее создатель отталкивался от идей первых двух
лауреатов.
21

22.

Поначалу Акира Ёсино решил использовать для анода токопроводящий
полиацетилен, один из электропроводных полимеров. Кстати, за
создание этого материала его соотечественник, Хидеки Сиракава, был
удостоен Нобелевской премии в 2000 году. Однако полимер оказался
слишком рыхлым, что не позволяло уменьшить размеры устройства.
Ёсино предложил делать анод из нефтяного кокса, побочного продукта
перегонки нефти. Стоит ли говорить, что нефтяники были очень
довольны, что электронщики решили тяжелую проблему утилизации
отходов.
22

23.

Сохранение литиевых ионов на аноде требует их удержания в каких-то
сравнимых с ними по размерам структурах. Кокс позволил идеально
решить эту проблему, поскольку его слои напоминают графен с
шестиуглеродными ячейками-сотами, в углублении центра которых
литий удерживается, как в ложке. Так вторичная литий-ионная батарея
стала вполне подходящей для коммерциализации.
Продажа литий-ионных батарей началась в 1991 году. Японским и
американским
производителям
батарей
удалось
убедить
производителей ноутбуков и телефонов, что за литий-ионными
аккумуляторами – будущее.
23