It is currently Thu Sep 19, 2019 1:16 am

НИЛ АСЭМ Научно - исследовательская лаборатория автоматизированных систем экологического мониторинга

Это Интересно!

by Admin » Thu Apr 19, 2018 2:09 am

Разработан способ трехмерной печати металлами с рекордным разрешением
(https://elementy.ru/novosti_nauki/43323 ... zresheniem)
Image

Рис. 1. a — напечатанная из металлсодержащего полимера деталь в форме усеченного октаэдра размером 20 мкм (длина масштабного отрезка — 5 мкм). b — эта же деталь после пиролиза. После обработки сохранилась форма, но при этом деталь сильно уменьшилась: ее размеры на правом фото — 4 мкм (длина масштабного отрезка — 1 мкм). Это связано с тем, что составляющая большую долю полимера органическая часть теряется в процессе пиролиза. Изображения получены при помощи сканирующей электронной микроскопии. Фото из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Исследователям из Калифорнийского технологического института впервые удалось разработать методику трехмерной печати из металлов, разрешение которой может в будущем дойти до нанометровых масштабов. Они изготовили жидкие чернила из органического полимера с включенными в него атомами никеля, из которых методом лазерной литографии можно печатать заготовки микрометровых размеров. После пиролитической очистки остаются изделия, почти полностью состоящие из никеля. Наноразмерные металлические изделия со сложной структурой могут найти применение в самых разных областях — от медицины до аэрокосмической техники.

Изучение материалов и конструкций из металлов, у которых внутренние структурные элементы имеют размеры от десятков нанометров до единиц микрометров, активно идут уже много лет. Проблема, однако, в том, что до сих пор не удалось разработать технологии массового изготовления таких материалов. При этом в ходе лабораторных исследований установлено, что они могут обладать уникальными свойствами. Например, они способны к поглощению света в оптически активных метаматериалах (C. Fei Guo et al., 2014. Metallic nanostructures for light trapping in energy-harvesting devices) или увеличивают способность детали сопротивляться деформации при механическом воздействии (R. Maaß et al., 2009. Smaller is stronger: The effect of strain hardening).

В общем случае наноразмерные объекты получают двумя способами. При так называемом «восходящем подходе» (bottom up) объект создается в результате объединения более мелких структурных единиц вещества — атомов, молекул или нанообъектов меньшего размера. При «нисходящем подходе» (top down) происходит измельчение макроскопического количества вещества до наноуровня или формирование в макроскопическом образце наноразмерных рисунков-шаблонов.

Обладающие внутренней наноструктурой изделия из металла сейчас умеют получать при помощи нанолитографии (nanolithography), нанотравления и используя лазер для формирования на поверхности металла наноразмерных деталей. Эти методы дороги и сложны, что ограничивает возможность их масштабирования до промышленных объемов. Еще один недостаток — этими методами практически невозможно создать полноценную внутреннюю трехмерную наноструктуру внутри макроразмерной металлической заготовки, поэтому чаще всего они используются для создания микрорельефа (наномасштабных подъемов или углублений) на поверхности.

Предполагается, что с созданием металлических метаматериалов со сложной внутренней структурой может справиться трехмерная печать (которую можно рассматривать как разновидность восходящего подхода): нужный объект слой за слоем выстраивается 3d-принтером по трехмерному чертежу (поэтому такой способ еще называют «послойным синтезом»). В настоящее время уже можно изготавливать содержащие наноразмерные элементы структуры детали, которые невозможно получить с помощью традиционных нисходящих методов получения нанообъектов, — но, увы, не из металлов. С начала 2010-х годов появились технологии послойного синтеза сложных трехмерных структур из полимеров (F. P. W. Melchels et al., 2012. Additive manufacturing of tissues and organs) и керамики (A. Zocca et al., 2015. Additive manufacturing of ceramics: issues, potentialities, and opportunities). В 2017 году был разработан способ трехмерной печати из стекла с разрешением 150–500 нм (см.: Немецкие химики создали полимер для 3D-печати стеклянных изделий, «Элементы», 24.04.2017).

А вот металлы пока не удавалось использовать для печати с нанометровым разрешением. При этом разные способы трехмерной печати достаточно мелких структур из металлов уже существуют, но их разрешение составляет 20–50 мкм (L. Hirt et al., 2017. Additive manufacturing of metal structures at the micrometer scale). Разрешение трехмерной печати обуславливается тем, в каком виде «чернила» (в данном случае — металл) подаются в принтер, и тем, каким воздействиям они подвергаются в процессе послойной печати. Так, при послойном синтезе, более всего напоминающем традиционную печать на принтере, когда металлосодержащие чернила пропускаются через сопла принтера, застывающие капли имеют диаметр 40–60 мкм, поэтому мельчайшие элементы структуры изделия не могут быть меньше. При плазменном осаждении в качестве сырья применяется металлическая проволока диаметром более 100 мкм, которая плавится под воздействием импульсов плазмы, и мельчайшие элементы деталей получаются порядка сотен микрометров (F. Martina et al., 2014. Investigation of the benefits of plasma deposition for the additive layer manufacture of Ti–6Al–4V). При лазерном спекании или плавлении частички металлических порошков имеют размеры 0,3–10 мкм, а минимальный размер «рисунка» на поверхности печатаемой детали оказывается около 20 мкм (M. Vaezi et al., 2013. A review on 3D micro-additive manufacturing technologies).

Поскольку, в конечном итоге, трехмерная печать металлами — метод восходящий, напечатанные детали всегда будут больше элементов, служащих «чернилами» для печати, размерами которых и будет определяться разрешение печати. Преодолеть все эти ограничения можно, если разработать принципиально новую схему послойного синтеза, позволяющую без особых проблем работать с металлом или металлсодержащим прекурсором на нанометровых масштабах.

Это удалось сделать ученым из группы Джулии Грир (Julia R. Greer) из Калифорнийского технологического института. Ранее в этой группе уже были разработаны способы трехмерной печати наноразмерных устройств из полимеров и керамики. Успех новой технологии заключается в замене металлических порошков и проволок, применяющихся в других типах трехмерной печати, на принципиально иной тип источника металла — металлсодержащий органический полимер. Этот полимер проще формовать с образованием наноразмерных структур. По замыслу химиков из Калифорнии должен был стать шаблоном, способствующим правильному распределению металла в продукте печати.

Для получения металлсодержащих чернил первоначально был получен акрилат никеля (II), в котором остатки непредельной акриловой кислоты сохраняли способность к полимеризации (рис. 2). Металлсодержащий мономер смешивали с другим мономером акрилового ряда — триакрилатом пентаэритритола и 7-диэтиламино-2-теноилкумарином, игравшим роль инициатора процесса фотохимической полимеризации. Из полученной смеси с помощью одного из методов трехмерной печати — двухфотонной литографии (two-photon lithography) формировались полимерные заготовки нужной формы. В том участке реакционной смеси, которая подвергалась облучению лазером, происходила фотоактивация 7-диэтиламино-2-теноилкумарина, благодаря чему полимер, в котором находились химически связанные атомы никеля, затвердевал.

Рис. 2. Схема предложенного метода послойного синтеза наноразмерных структур из металла
Рис. 2. Схема предложенного метода послойного синтеза наноразмерных структур из металла. a — в ходе реакции обмена получается никельсодержащий мономер (акрилат никеля), кратные связи остатков акриловой кислоты в котором способны вступать в реакцию полимеризации. b — никельсодержащий мономер, акриловая смола (триакрилат пентаэритритола) и инициатор фотохимической полимеризации (7-диэтиламино-2-теноилкумарин) смешивают, получая прозрачные никельсодержащие «чернила» для трехмерной печати. c — схематическое изображение применяющегося подхода для трехмерной печати — двухфотонной литографии. d — напечатанная заготовка из никельсодержащего полимера подвергается пиролизу (е), в результате чего удаляется органическая составляющая полимера и остается наноразмерная конструкция из металла. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

На следующем этапе заготовки из никельсодержащего полимера подвергли пиролизу. Для этого их помещали в вакуумированную камеру муфельной печи и медленно нагревали до 1000°С. Эта температура почти на 500°С ниже температуры плавления никеля (1455°С), но ее оказалось вполне достаточно, чтобы удалить органическую составляющую полимера, оставив наноструктуру, в которой, по результатам исследования с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, содержалось 91,8% никеля. Высокая температура также способствовала объединению оставшихся атомов металла в формы, повторяющие исходные структуры из полимера, но меньшие по размеру. Поскольку в процессе пиролиза испарялась большая часть материала, составлявшего металлполимерную структуру, получившиеся после пиролиза металлические изделия уменьшились на 80% (рис. 1 и 3). Внутренние элементы деталей из металла, полученных с помощью нового подхода, могут характеризоваться размером от сотен нанометров до микрометров — до настоящего времени даже такое разрешение при трехмерной печати металлических конструкций не было возможно.

Image
Рис. 3. f–h — напечатанная из никельсодержащего полимера трехмерная сетка и она же, но после пиролиза (i, j), в результате которого в структуре остается почти только один никель. Хорошо видно, что при пиролизе происходит «усадка» структуры примерно в 5 раз. Длины масштабных отрезков: f — 15 мкм, g и i — 2 мкм, h и j — 500 нм. Изображения получены при помощи сканирующей электронной микроскопии. Фото из обсуждаемой статьи в Nature Communications
В настоящий момент исследователи пытаются улучшить разработанную методику. В первую очередь нужно научиться устранять дефекты в структуре получающихся металлических объектов: в статье честно признается, что получающиеся после пиролиза металлические конструкции содержат пустоты и отличаются неровной поверхностью (это хорошо заметно на рис. 1 и 3), а также содержат незначительное количество примесей, главным образом — углерода. Поскольку примеси и мелкие дефекты могут серьезно влиять на электронные и оптические свойства, эти проблемы должны быть решены до промышленного использования нового подхода.

Также в планах исследователей опробовать разработанный ими подход для трехмерной печати конструкций из других металлов. Наиболее интересной в этом отношении кажется попытка использовать вольфрам, высокая температура плавления которого (3442°С) не позволяет применять традиционные способы печати металлами.

Источник: Andrey Vyatskikh, Stéphane Delalande, Akira Kudo, Xuan Zhang, Carlos M. Portela, Julia R. Greer. Additive manufacturing of 3D nano-architected metals // Nature Communications. 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-03071-9.
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Jul 07, 2018 10:11 pm

Источником энергии для древнейшей жизни мог служить ацетилфосфат

(https://elementy.ru/novosti_nauki/43328 ... etilfosfat)
Image
Рис. 1. Химические соединения, упоминаемые в статье (плюс метилтиоацетат, о котором раньше думали, что он превращается в ацетилфосфат, но это не подтвердилось). В соответствии с правилами упрощенного начертания органических формул, каждый уголок в каждой формуле соответствует атому углерода (C). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Origins of life and evolution of biospheres

Все без исключения живые клетки нуждаются в аденозинтрифосфате (АТФ) — веществе, молекулы которого служат главной «энергетической валютой» современной жизни. Однако АТФ — молекула довольно сложная, и маловероятно, что эволюция энергетических механизмов древнейшей жизни началась прямо с нее. Группа биохимиков во главе с известным английским ученым Ником Лейном считает, что на заре жизни главной «энергетической валютой» мог служить ацетилфосфат, молекула которого, устроенная гораздо проще, подходит на эту роль по ряду свойств.

Автотрофы или гетеротрофы?

В XX веке дискуссии о происхождении жизни были в основном чисто теоретическими. Знаменитый эксперимент Миллера — Юри, доказавший возможность самопроизвольного синтеза компонентов белков из простых молекул, так и остался блестящим, но по большому счету единичным достижением; других же источников новых данных на протяжении многих десятилетий просто не было (разве что исследования химического состава углистых метеоритов, но они тогда по разным причинам «не делали погоды» в науке). Оставалось только рассуждать. И одним из любимых предметов рассуждений в ту пору стал вопрос: были ли самые первые живые существа автотрофными или гетеротрофными?

Как известно, гетеротрофными называются организмы, которым для выживания необходимы готовые органические вещества (например, сахара, аминокислоты или спирты). Автотрофныe же организмы могут совершенно самостоятельно синтезировать органические вещества из очень простых молекул — как правило, из углекислого газа. Вопрос в том, какой из этих двух типов обмена веществ появился первым.

В XX веке преобладало мнение, что первые живые существа были гетеротрофами. Предполагалось, что они питались так называемым «первичным бульоном» — растворенной в воде органикой, которая в избытке образовалась на древней Земле в результате процессов, частично смоделированных в том самом знаменитом эксперименте Миллера. И только потом появились автотрофы, освоившие достаточно сложную «технологию» самостоятельного синтеза органики из углекислоты. Правда, в противовес этому иногда рассматривалась идея, что автотрофный и гетеротрофный способы жизни должны были возникнуть строго одновременно, потому что иначе не удалось бы замкнуть глобальный круговорот углерода (см. К. Ю. Еськов, 2000. «История Земли и жизни на ней»). Ведь на современной Земле концентрация углекислоты остается относительно постоянной именно благодаря одновременному существованию автотрофов и гетеротрофов: первые расходуют углекислый газ на строительство сложных молекул, зато вторые — выдыхают его, возвращая в атмосферу.

В XXI веке все эти общие рассуждения отошли на второй план. И неудивительно: ведь в начале нашего века наука о происхождении жизни буквально пережила второе рождение. На страницы научных журналов — так и хочется добавить: «на глазах у изумленной публики» — хлынул поток совершенно новых фактов, открытых частью в ходе химических экспериментов (см., например: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009), а частью в результате чтения геномов разных современных живых существ (см., например: Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010). Тем самым на многие (хотя, конечно, и не на все) важные вопросы стало возможно получать чисто документальные ответы. Уже отмечалось, что совокупность геномов ныне живущих организмов обладает свойствами самой настоящей летописи, хранящей множество следов исторических событий внутри некой упорядоченной многослойной структуры (см. Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных, «Элементы», 11.07.2016). Причем глубина этой «летописи» измеряется миллиардами лет — а значит, в ней в принципе можно найти ответы и на вопросы, касающиеся происхождения жизни. Надо только, чтобы эти вопросы задавались грамотно.

Вот пример такого грамотного вопроса: какой тип обмена веществ был у общего предка всех современных живых клеток — у безусловно реально существовавшего организма, который в современной научной литературе обычно называется LUCA? Это сокращение расшифровывают двумя способами: Last universal common ancestor (последний универсальный общий предок) или Last cellular common ancestor (последний клеточный общий предок); второй вариант точнее, но употребляется почему-то реже. Так или иначе, прямо «от Луки» все клеточные организмы разделились на два гигантских эволюционных ствола, которые называются бактериями и археями (рис. 2). В дальнейшем союз между представителями этих стволов породил еще и эукариот, но то было довольно позднее эволюционное событие, уже не имевшее к происхождению жизни прямого отношения.

Image
Рис. 2. Место «Луки» на эволюционном древе. Иллюстрация из статьи: M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor


«Лука» же, напротив, для любой теории происхождения жизни крайне важен. Правда, надо иметь в виду, что появление «Луки» было не началом процесса возникновения жизни, а скорее уж наоборот — его концом. Но предыдущие этапы биогенеза не оставили четких генетических следов, поэтому разобраться в них намного сложнее (о том, что на эту тему все-таки известно, подробно рассказывается в книге Михаила Никитина «Происхождение жизни»). А вот от генома «Луки» осталось достаточно много, и у нас есть возможность получить о нем кое-какие точные данные.

LUCA — свидетель первой жизни

Итак, что мы знаем о «Луке»? Прежде всего, у него совершенно точно был аппарат трансляции, примерно такой же, как и у всех без исключения современных живых клеток. Трансляция — это процесс синтеза белка по заданной нуклеотидной последовательности, для которого нужны рибосомы, транспортные РНК и несколько десятков специальных белков. Уже довольно давно известно, что у «Луки» всё это было. Именно поэтому у всех современных живых организмов аппарат трансляции однотипен: он унаследован от общего предка.

А вот какой у «Луки» был обмен веществ? Был он гетеротрофом или автотрофом? Иными словами, питался ли он готовой органикой, или в качестве источника углерода ему хватало простой углекислоты?

В 2016 году вышла весьма интересная статья, авторы которой попытались ответить на этот вопрос, основываясь на «генетической летописи» (M. Weiss et al., 2016. The physiology and habitat of the last universal common ancestor). В списке авторов этой статьи на последнем месте, которое в современных публикациях традиционно отводится главному теоретику и вдохновителю всего исследования, стоит имя Уильяма Мартина (William Martin), биолога, известного своими смелыми, но серьезно обоснованными идеями о ранней эволюции жизни.

Работа Мартина и его сотрудников была довольно сложной. Казалось бы, в наше время задача реконструкции общего предка свелась к чистой технике: количество полностью прочитанных геномов разных организмов сейчас измеряется уже тысячами (см., например: Полностью прочитанных геномов животных уже больше двухсот, «Элементы», 30.12.2015), всего-то и остается взять как можно больше геномов как архей, так и бактерий и сравнить их, воспользовавшись давно разработанными алгоритмами выравнивания. Гены, которые окажутся у архей и бактерий общими, должны быть унаследованы от их общего предка, то есть от того самого «Луки».

К сожалению, на самом деле всё далеко не так просто. Фундаментальная проблема, крайне усложняющая подобные исследования, связана с процессом, который называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). И бактерии, и археи вполне могут передавать друг другу отдельные гены не «по вертикали», то есть от родителей к детям, а «вбок» — просто от соседа к соседу. Есть несколько механизмов такого переноса, и хорошо известно, что он возможен даже между самыми далекими родственниками. Поэтому даже если некий ген найден одновременно у бактерий и у архей — вполне возможно, что на самом-то деле он возник только в одной из этих групп, а вторая получила его путем ГПГ. И тогда «Лука» вообще ни при чем: у него этого гена не было.

Чтобы минимизировать эту вероятность, группа Мартина приняла решение учитывать только те гены, которые есть одновременно не менее чем в двух разных группах бактерий и не менее чем в двух разных группах архей. Стопроцентной гарантии, что горизонтальный перенос не внес помех, это не дает, но надежность результатов все-таки повышает. Применив этот подход, исследователям удалось выделить 355 белков (и соответствующих им генов), которые, вероятно, были у «Луки». О чем же они свидетельствуют?

Прежде всего, некоторые выявленные гены (около 30 штук) связаны с механизмом трансляции, который был унаследован от «Луки» всеми живыми клетками без принципиальных изменений. Это — вполне ожидаемый результат, который работа группы Мартина только подтвердила. В данном случае ученых больше интересовали другие гены — те, что имеют отношение к обмену веществ, или, говоря одним словом, к метаболизму.

Обзор этих генов позволил сделать несколько важных выводов. Прежде всего, нет никаких свидетельств, что у «Луки» были ферменты, нужные для гетеротрофного питания. Это означает, что — вопреки всем рассуждениям на эту тему — гетеротрофом «Лука» не был.

А вот ферменты для автотрофного питания (точнее, кодирующие их гены) в реконструированном геноме «Луки» есть! Правда, это совсем не та автотрофность, которую мы обычно видим вокруг себя. Главные автотрофы в привычном человеку мире — зеленые растения, которые захватывают из атмосферы углекислый газ и с помощью энергии света синтезируют из него сахар. Такой способ питания называется фотоавтотрофным. «Лука» им не владел. Он был хемоавтотрофом — организмом, способным синтезировать из углекислоты сложные молекулы с помощью энергии неорганических химических реакций (свет тут не нужен). В наше время хемоавтотрофным способом питаются многие бактерии и археи, причем их химические источники энергии довольно разнообразны. Каким же из них пользовался «Лука»?

Уильям Мартин и его коллеги считают вероятным, что «Лука» был или метаногеном, или ацетогеном. Это два близких друг к другу типа метаболизма, которые сохраняются и у некоторых современных микробов (первый — у метаногенных архей, второй — у клостридий). И метаногены, и ацетогены используют в качестве источника питания углекислый газ (CO2), из которого они с помощью водорода (H2) получают или метан (CH4), или уксусную кислоту (CH3COOH). В ходе эволюции один из этих типов обмена веществ мог легко превратиться в другой, потому что ключевые реакции в них общие. Ферменты, обеспечивающие эти ключевые реакции, как раз и были у «Луки».

Проблема источника углерода

Захват живыми организмами небольших молекул (в первую очередь многократно упомянутого углекислого газа) с целью включения их в обмен веществ принято называть фиксацией. Например, зеленые растения постоянно фиксируют углекислоту, используя ее для синтеза сахаров и других сложных молекул. На самом деле существует несколько разных биохимических механизмов фиксации углекислоты, самый древний из которых называется путем Вуда — Льюнгдаля. Это единственный способ фиксации углекислоты, который есть и у бактерий, и у архей. Именно на пути Вуда — Льюнгдаля основан метаболизм как метаногенов, так и ацетогенов. Неудивительно, что ферменты, обеспечивающие этот биохимический путь, отлично представлены в реконструированном геноме «Луки». Можно уверенно предположить, что этим механизмом фиксации углекислого газа пользовался общий предок всех современных живых клеток.

Путь Вуда — Льюнгдаля заканчивается образованием химического соединения, которое называется ацетилкофермент А, или просто ацетил-КоА (рис. 1). Эта довольно сложная на первый взгляд молекула, по сути, представляет собой просто-напросто двухуглеродный остаток уксусной кислоты (CH3–CO–), посаженный на органический переносчик. В свою очередь, из ацетил-КоА можно относительно легко получить различные карбоновые кислоты — очень нужные живым организмам вещества (они, в частности, формируют важнейшую цепочку биохимических реакций, которая называется циклом Кребса).

Могла ли подобная система реакций — тогда еще не биохимических, а просто химических, — послужить основой древнейшей преджизни? Это совсем не исключено. Известно, например, что многие белки, задействованные в процессе превращения углекислого газа и водорода в ацетил-КоА, содержат железосерные (или никель-железосерные) кластеры — наночастицы минералов, причем именно тех, которые, по некоторым гипотезам, должны были накапливаться в подходящих для зарождения первой жизни геотермальных источниках. Вряд ли это чисто случайное совпадение.

Тут, однако, сразу намечается ряд проблем. Начнем с «позитивного» вывода: упомянутые выше карбоновые кислоты могут служить исходным материалом для синтеза биологически активных соединений, причем очень разнообразных — аминокислот, нуклеотидов, углеводов, липидов. Ну а из аминокислот и нуклеотидов, в свою очередь, можно «собрать» белки и нуклеиновые кислоты — сложные молекулы, без которых немыслима живая клетка. Получается цепочка: углекислый газ и водород — путь Вуда — Льюнгдаля — ацетил-КоА — цикл Кребса — карбоновые кислоты — нуклеотиды и аминокислоты — нуклеиновые кислоты и белки. Когда развивающаяся преджизнь освоила всю эту последовательность, она превратилась в настоящую жизнь, не так уж и сильно отличающуюся от современной.

Проблема же состоит в том, что эта цепочка — химическая. Все переходы между ее звеньями соответствуют химическим реакциям, которые должны были где-то и как-то запуститься. Надо помнить, что в химии это обставлено строгими условиями. Каждая реакция (а их тут на самом деле гораздо больше, чем можно подумать по нашему краткому перечислению) в некотором смысле подобна мостику, по которому надо перейти, чтобы стало возможным всё дальнейшее.

Этап, где химический «мостик» проваливается, — это переход от конечных продуктов цикла Кребса (карбоновые кислоты) к более сложным биогенным молекулам (нуклеотиды, аминокислоты, углеводы, липиды). Дело в том, что карбоновые кислоты — вещества с биохимической точки зрения относительно пассивные. В те реакции, которые нужны для образования аминокислот и прочего, они вступают неохотно. У живых клеток есть способ решения этой проблемы: они предварительно активируют карбоновую кислоту, превращая ее или в эфир фосфорной кислоты, или в тиоэфир — эти соединения гораздо более реакционноспособны, и из них легче получить «целевой продукт». Но современные клетки осуществляют такие превращения с помощью ферментов — сложных белков, для синтеза которых нужен уже существующий геном и рибосомы. А вот у древней преджизни ничего этого не было.

Есть серьезные основания полагать, что древняя преджизнь вообще синтезировала сложные молекулы (такие, как нуклеотиды) принципиально иными путями, не имевшими с вышеописанной цепочкой ничего общего. В начале XXI века химики-синтетики стали получать по этой теме поразительные данные — причем это отнюдь не «кабинетные спекуляции», а результаты воспроизводимых экспериментов (см., например: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). Оказалось, что с чисто химической точки зрения синтез нуклеотидов вполне может идти самопроизвольно на основе очень простых молекул — цианида (HC≡N), цианамида (NH2–C≡N), цианоацетилена (HC≡C–C≡N), формамида (HCO–NH2) и некоторых других. Нужно только, чтобы на компоненты реакций действовало ультрафиолетовое излучение, но уж с этим на древней Земле проблем точно не было.

Однако английского биохимика Ника Лейна (Nick Lane) и его коллег не вполне устраивает такое объяснение. Отдавая должное блистательным достижениям химиков-синтетиков, они тем не менее подчеркивают, что современная земная жизнь никогда не использует цианид как источник углерода или азота. Это означает, что предполагаемые древние биохимические пути, основанные на цианиде, и реальные современные биохимические пути, основанные на ацетил-КоА, разделены пропастью, которая пока ничем не перекрыта. И, таким образом, «возникновение биохимии из геохимии остается нерешенной проблемой» (цитата из обсуждаемой статьи Лейна с соавторами).

Молекула-кандидат: поиск...

Лейн и его коллеги считают более вероятным, что древнейшая жизнь с самого начала использовала в качестве источника углерода не цианид, а углекислый газ (которого было предостаточно в атмосфере Земли). Это хорошо согласуется с современными данными о метаболизме «Луки» и о железосерных кластерах в белках. Но, как мы видели, на пути этой версии возникают кое-какие химические препятствия. Чтобы понять, как зарождающаяся жизнь могла бы их обойти, стоит еще раз взглянуть на картину в целом.

Обмен веществ всех без исключения современных живых организмов строится вокруг двух очень важных соединений. Одно из них — это аденозинтрифосфат (АТФ), молекула, служащая универсальным внутриклеточным источником энергии. Второе — уже упоминавшийся ацетил-КоА. Надо сказать, что и АТФ, и ацетил-КоА — это довольно-таки сложные молекулы, для «сборки» которых живым клеткам требуется набор ферментов, то есть белков, кодируемых специальными генами. Молекула АТФ состоит из пяти химических компонентов (аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты), а в молекуле ацетил-КоА компонентов, по такому же счету, целых восемь. В общем, вряд ли именно эти молекулы послужили химической основой древней преджизни.

При этом нет сомнений, что жизненно важные функции как АТФ (перенос энергии), так и ацетил-КоА (перенос остатка уксусной кислоты, в котором всего-то два углеродных атома) вполне могли бы быть выполнены и молекулами, устроенными гораздо проще. И, конечно, возникает огромный соблазн попытаться угадать, что за молекулы могли раньше делать эту работу.

Ник Лейн и его коллеги предлагают присмотреться к ацетилфосфату. Это соединение считается одним из вероятных участников древнейших «протометаболических циклов», которые предшествовали становлению полноценной жизни (см., например: J. E. Goldford et al., 2017. Remnants of an ancient metabolism without phosphate). Молекула ацетилфосфата содержит всего лишь два атома углерода. Состоит она из остатков уксусной и фосфорной кислот, соединенных хорошо знакомой химикам сложноэфирной связью. Ацетилфосфат присутствует в обмене веществ современных организмов (и бактерий, и архей). Расщепляясь до уксусной и фосфорной кислот, его молекула выделяет энергию примерно так же, как молекула АТФ. Отсюда — один шаг до предположения, что когда-то эти молекулы были взаимозаменяемы. Ацетилфосфат достаточно прост (с точки зрения химии) и в то же время достаточно функционален (с точки зрения биологии), чтобы послужить промежуточным звеном между гео- и биохимией.

Против этой гипотезы часто возражают, указывая на то, что молекула ацетилфосфата недостаточно устойчива. На этом возражении интересно остановиться: дело в том, что Ник Лейн считает его неверным чисто методологически. Как уже говорилось, в старину (то есть в XX веке) среди биологов господствовала «гетеротрофная» теория происхождения жизни — предполагалось, что органические молекулы век за веком накапливались в первичном бульоне до тех пор, пока в результате перебора более или менее случайных комбинаций из них не сложилось что-то качественно более сложное. Для такой модели долговременная устойчивость органических молекул действительно важна. Если же принять «автотрофную» теорию, всё начинает выглядеть иначе (см., например: P. Schonheit et al., 2015. On the origin of heterotrophy). «Автотрофная» теория рассматривает среду древней преджизни как своего рода химический вихрь, в котором одни молекулы непрерывно превращаются в другие. Тогда устойчивость потенциальных участников метаболизма должна быть не максимальной, а оптимальной: они должны быть достаточно устойчивы, чтобы существовать какое-то заметное время, и в то же время достаточно лабильны, чтобы без особого промедления вступить в очередную реакцию, поддерживая протометаболический цикл. Вот с точки зрения этого баланса между устойчивостью и лабильностью ацетилфосфат вполне мог бы оказаться соединением, идеально подходящим для переноса энергии (как оказался им АТФ, например).

...и эксперименты

В наше время гипотезы, касающиеся предбиологической химической эволюции, ничего не стоят без экспериментальной проверки. Лейн и его коллеги эту проверку провели, выяснив в результате следующее:

- Ацетилфосфат легко самопроизвольно синтезируется из еще более простых предшественников (тиоацетата и фосфорной кислоты) в условиях, предположительно соответствующих обстановке зарождения первой жизни. Это теплая вода (20–50°C) с реакцией от нейтральной до щелочной.

- Молекула ацетилфосфата в таких же условиях сохраняет стабильность часами. Это означает, что ее устойчивость действительно оптимальна для промежуточного продукта метаболизма (или протометаболизма).

- Ацетилфосфат способен участвовать в синтезе нуклеотидов. Расщепляясь и отдавая остаток фосфорной кислоты, он превращает рибозу в рибозо-5-фосфат, а аденозин — в аденозинмонофосфат (АМФ); первое — важная составная часть нуклеотида, второе — уже целый нуклеотид.

Кроме этих положительных результатов, были получены и отрицательные: вопреки надеждам исследователей, оказалось, что ацетилфосфат не способствует полимеризации аминокислот и нуклеотидов, то есть их «сшиванию» в белки и нуклеиновые кислоты. Добавим, что и в синтезе самих нуклеотидов ацетилфосфат на самом деле участвует лишь ограниченно: ускорить-то он его ускоряет, но, судя по изложенным данным, — только в том случае, если главные составные части нуклеотидов уже есть в растворе в готовом виде. А вот на роль молекулы, снабжавшей первую жизнь энергией, ацетилфосфат действительно подходит.

Лейн и его сотрудники подбирали условия эксперимента, исходя из излюбленной ими теории возникновения жизни в щелочных гидротермальных источниках (см. Н. Лейн, 2018. «Вопрос жизни»). Проблема в том, что эта теория — очень спорная. Альтернативы ей подробно обсуждаются в опубликованной на «Элементах» статье Михаила Никитина «Разные ответы на вопрос жизни», здесь же приведем только один контрдовод: РНК — ключевая для ранней жизни сложная молекула — неустойчива в характерной для источников упомянутого типа щелочной среде, а устойчива, совсем наоборот, в слабокислой (H. S. Bernhardt, W. P. Tate, 2012. Primordial soup or vinaigrette: did the RNA world evolve at acidic pH?). К счастью, обсуждаемая работа — возможно, вопреки первоначальному намерению авторов — показывает, что проблема щелочных источников и проблема ацетилфосфата вовсе не обязательно связаны друг с другом. Из приводимых данных видно, что в слабокислых и нейтральных условиях ацетилфосфат образуется даже лучше, чем в слабощелочных, а в сильнощелочных он не образуется вообще. Всё это позволяет допустить, что щелочные гидротермальные источники тут на самом деле ни при чем. Ацетилфосфат в любом случае является серьезным кандидатом на роль первичного переносчика энергии.

Соблазнительно, конечно, предположить, что «за компанию» он мог бы выполнять в древней жизни еще какие-нибудь функции — ну, хотя бы переносить остаток уксусной кислоты, служа аналогом не только АТФ, но и ацетил-КоА. Намеки на это в обсуждаемой работе Лейна и его сотрудников есть, но их теоретическая оценка сведена к минимуму (рис. 3). Показано, что ацетилфосфат охотно «делится» не только своей фосфатной частью, но и остатком уксусной кислоты, который в результате присоединяется к сахарам или аминокислотам (эта реакция называется ацетилированием). Так, при ацетилировании аминокислоты глицина получается N-ацетилглицин (HOOC–CH2–NH–CO–CH3). Интересно, что эта относительно маленькая молекула включает в себя группу, идентичную важнейшей для белков пептидной группе (–NH–CO–). Имеет ли всё это хоть какое-то значение для истории происхождения жизни — покажет будущее.


Image
Рис. 3. Ацетилирование глицина ацетилфосфатом. Картинка представляет собой набор спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод исследования основан на том, что ядра определенных атомов (в данном случае — ядра атомов водорода, то есть протоны), будучи помещены в магнитное поле и подвергнуты электромагнитному излучению, резонируют и дают ответное излучение, частота которого для одного и того же атома меняется в зависимости от того, с чем он связан. Атомы водорода, дающие резонанс, на картинке выделены красным (H). Смещение сигнала, зависящее от химической структуры вещества, называется химическим сдвигом — на картинке оно отложено по горизонтали. Нижний спектр, имеющий два пика, относится к раствору, где из ацетилфосфата и глицина образовался N-ацетилглицин. Выше для сравнения помещены спектры растворов нескольких других веществ (чистого ацетилфосфата, чистого глицина, уксусной кислоты, диглицина и дикетопиперазина). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Origins of life and evolution of biospheres


В целом обсуждаемая работа оставляет впечатление, что тема ацетилфосфата, вероятно, и вправду перспективна, но раскрыта пока не до конца. Характерен такой момент. Констатируя бесполезность ацетилфосфата для «сшивания» аминокислот и нуклеотидов в полимеры, авторы честно пишут: «Наше исследование было ограничено тем, что мы не рассматривали полимеризацию на минеральной поверхности или при низкой активности воды — только в водном растворе». Возникает вопрос: а зачем, собственно, надо было так ограничивать исследование? Ведь многие современные гипотезы, касающиеся происхождения жизни, как раз и предполагают, что ключевые процессы шли «на минеральной поверхности или при низкой активности воды». Правда, это не относится к любимой Лейном гипотезе возникновения жизни в щелочных геотермальных источниках: согласно ей, главные события происходили глубоко в море. Между тем было бы интересно посмотреть, что получится, если — ну, хотя бы на всякий случай — повторить те же самые опыты в условиях с низкой или переменной влажностью. Исследователям происхождения жизни (и не только научным сторонникам Лейна) стоит взять ацетилфосфат на заметку, чтобы или подтвердить, или опровергнуть его участие в нашей наидревнейшей истории.

Источник: Alexandra Whicher, Eloi Camprubi, Silvana Pinna, Barry Herschy, Nick Lane. Acetyl phosphate as a primordial energy currency at the origin of life // Origins of life and evolution of biospheres. 2018. P. 1–21. DOI: 10.1007/s11084-018-9555-8.
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Jul 21, 2018 11:11 am

Андрей Наумов
Наноскопия, или Как увидеть одну молекулу

Лекция прочитана 2 апреля 2017 года в Московском Культурно-просветительском центре «Архэ».

Как рассмотреть молекулу? Как проследить за ее поведением? Как увидеть явления, происходящие в микромире?

Эта научно-популярная лекция посвящена одному из самых актуальных направлений современной оптики — оптической микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения. В ней рассказывается, как с помощью обычного оптического микроскопа можно «рассмотреть» отдельные молекулы, а также как эти технологии можно применить в биофизке, нанотехнологиях, медицине, квантовой информатике.
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Jul 21, 2018 1:06 pm

Артем Оганов
Предсказательная кристаллография: новые материалы и новые химические явления


Лекция прочитана 23 марта 2017 года в Московском Культурно-просветительском центре «Архэ».

Недавний прогресс в создании методов предсказания кристаллических структур — центральной задачи теоретического материаловедения — открыл дорогу компьютерному дизайну новых материалов. В этой лекции автор рассказывает о созданных им методах и об открытых с их помощью новых материалах и новых химических явлениях.

Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Jul 21, 2018 1:17 pm

Максим Карманов
Физическая лаборатория своими руками

Лекция прочитана в рамках Фестиваля популярной науки «Дни науки в Якутии», организованного фондом Дмитрия Зимина «Династия» по приглашению Министерства образования Республики Саха (Якутия).

Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Jul 21, 2018 3:53 pm

Игорь Иванов
Отсыпьте мне сто грамм частичек!

Лекция прочитана 28 мая 2016 года в Москве в Политехническом университете (МАМИ) в рамках лектория Set Up.

Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Tue Aug 21, 2018 4:57 pm

Инженеры научились создавать многослойную растягиваемую электронику
Image
Zhenlong Huang et al. / Nature Electronics, 2018

Инженеры из США и Китая научились создавать эластичные электронные устройства из нескольких слоев. Основные компоненты таких устройств, например, чипы, выполнены из жестких материалов, но соединения между ними и слоями, а также подложки микросхем каждого слоя состоят из материалов, не разрушающихся при растяжении или скручивании. Статья опубликована в Nature Electronics.

Инженеры давно разрабатывают материалы и методы, необходимые для создания функциональной растягиваемой электроники. Предполагается, что в будущем такая электроника сможет вытеснить распространенные сегодня носимые устройства, выполненные из жестких материалов и из-за этого стесняющие движения тела, а также подверженные разрушению. Несмотря на промежуточные успехи в этой области, пока у гибкой электроники остаются нерешенные проблемы, в том числе низкая надежность и сложность создания многослойных микросхем, с электрическими соединениями между слоями.

Группа инженеров из США и Китая под руководством Шэн Сюя (Sheng Xu) из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала метод, позволяющий реализовать подобные соединения в многослойных растягиваемых электронных устройствах. Основу каждого слоя или эластичной платы составляет подложка из силиконового эластомера. Она выполняет механическую поддержку остальных компонентов, а также изолирует слои. На каждый слой наносят два вида элементов: жесткие электронные компоненты, такие как микропроцессоры или резисторы, и эластичные проводящие дорожки. Эти дорожки состоят из меди и полиимидной пленки, и имеют зигзагообразную форму, позволяющую им растягиваться вместе с силиконовой подложкой, не разрушаясь.


Image
Схема устройства


Одно из главных новшеств предложенного инженерами метода заключается в способе соединения слоев между собой. Для этого, как и в случае с обычными жесткими платами, в определенных местах определенных слоев создаются переходные отверстия. Поскольку отверстия должны быть небольшими и располагаться точно, исследователи выжигали их лазерным лучом. После этого в отверстие с помощью трафаретной печати заливается припой из сплава, соединяющий два проводящих контакта.


Image
Микроструктура переходных отверстий в слоях


Исследователи продемонстрировали применимость метода на нескольких многослойных прототипах. В частности, инженеры создали многофункциональное устройство с датчиками растяжения, гироскопом, акселерометром, термометром, Bluetooth-передатчиком и несколькими другими компонентами. Устройство можно безопасно прикрепить к коже без какого-либо клея — оно закрепляется за счет сил Ван-дер-Ваальса. Инженеры показали, что с помощью одного такого устройства можно измерять несколько физиологических показателей. К примеру, его можно применять для измерения температуры тела, записи движений и частоты дыхания, а также в качестве электрокардиографа.


Image
Прототип устройства из четырех слоев


Многие другие группы инженеров работают над созданием других электронных устройств, которые можно наносить непосредственно на кожу.


Григорий Копиев
https://nplus1.ru/news/2018/08/14/stretchable-electronics
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Wed Aug 22, 2018 3:33 am

Лазер превратил бумагу в проводящий композит для электроники

Image


Исследователи из США и Китая научились создавать с помощью лазера простые электронные устройства из бумаги. Бумага пропитывается «чернилами» из желатина и хлорида молибдена, после чего лазерный луч превращает нужные области бумаги в проводящие композитные структуры из карбида молибдена и графена. Технология позволила создать несколько устройств-прототипов, в том числе ионистор и пьезоэлектретный генератор для превращения механической энергии в электрическую, рассказывают исследователи в журнале Advanced Materials.

Обычно гибкие электронные устройства создают на основе полимеров, но некоторые ученые, работающие в этой области, используют более дешевый и биоразлагаемый материал — бумагу. Однако часто низкая стоимость бумаги нивелируется тем, что при создании на ее базе проводящего композита используются дорогие материалы, такие как серебро и золото, и сложные методы производства, требующие дорогого оборудования.

Исследователи под руководством Ливэя Линя (Liwei Lin) из Калифорнийского университета в Беркли и Шеньчжэньского университета Синьхуа-Беркли разработали простой и дешевый метод, позволяющий превратить бумагу в проводящий композит для использования в электронных устройствах. Для начала создается гидрогель, состоящий из желатина и хлорида молибдена, который затем напыляется на бумагу. После этого бумагу высушивают и она превращается в заготовку, на которой можно создавать электропроводные дорожки для электрических схем или другие элементы.


Image
Макро- и микроструктура бумаги до и после нанесения гидрогеля, а также обработки лазером


Для того, чтобы создать на такой заготовке электропроводные участки, бумага обрабатывается инфракрасным лазерным лучом. Ученые создали множество образцов при разной мощности и продолжительности лазерных импульсов и изучили их микроструктуру. Они выяснили, что в результате обработки пропитанная гидрогелем бумага превращается в карбид молибдена и графен. По-видимому, карбид образуется из-за высокотемпературной карбонизации ионов молибдена и желатина, а графен — из-за воздействия лазерного луча на волокна бумаги и желатин, отмечают авторы работы. При этом без желатина при обработке лазерным лучом той же мощности графен не образуется. Исследователи использовали несколько типов бумаги и выяснили, что офисная бумага дает оптимальный набор свойств — высокую механическую прочность и относительно низкое сопротивление.
После изучения свойств и подбора оптимальных параметров лазерной обработки и концентрации компонентов гидрогеля, ученые создали на основе бумажных композитов несколько простых электронных устройств. Например, они создали бумажный сенсор водяного пара и метанола, который меняет свое сопротивление при адсорбции молекул этих веществ. Кроме того, авторы создали пьезоэлектретный генератор, состоящий из слоев бумаги с проводящими областями, разделенных слоями полимера. Полимер в этой конструкции выступает в качестве электретного слоя, сохраняющего заряд.


Image
Пьезоэлектретный генератор


При сжатии слоев бумаги генератор преобразует механическую энергию в электрический ток. Тесты показали, что бумажный генератор может создавать напряжение 150 вольт, а в режиме закрытого контура создавать ток величиной 11 микроампер. Кроме того, исследователи создали прототип ионистора, использующий пористое строение карбидно-графенового композита с большой удельной площадью поверхности для накопления заряда.
В прошлом году ученые из Кореи и США также создали ионистор на основе бумаги, но использовали для этого другой метод. Они наносили на каждое целлюлозное волокно чередующиеся слои проводящих и диэлектрических частиц, разделенных поверхностно-активным веществом.

Григорий Копиев

https://nplus1.ru/news/2018/07/09/paper-electronics
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Mon Aug 27, 2018 12:20 am

Учёные создали проводящее эластичное волокно

Image
École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) / YouTube

Швейцарские исследователи научились создавать высокоэластичные композитные волокна, способные обратимо растягиваться почти в шесть раз. Они смогли создать таким способом оптическое волокно, а также проводящее волокно с электродами из жидкого сплава и углерода, сообщается в журнале Advanced Materials.

Разработчики носимой электроники создают прототипы устройств, сделанные из мягких, эластичных и проводящих материалов. Это делает устройства удобнее в ношении, а также защищает их от механического повреждения. Но технологии создания таких материалов пока недостаточно развиты и на практике они применяются редко, поэтому ученые и инженеры продолжают поиск новых материалов и методов их создания.

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали метод создания композитного волокна, объединяющего в себе несколько материалов и способного растягиваться в несколько раз. Они использовали метод термовытяжки из преформы, который применяют для создания оптоволокна. Для этого сначала создается большая относительно толщины волокна заготовка, в которой материалы расположены в том порядке, в котором они должны находиться в волокне. После этого заготовка нагревается и из нее вытягивается во много раз более тонкое волокно, причем во время этого процесса можно непрерывно создавать километры волокна, наматывая его на барабан.

Image
Схема термовытяжки из преформы
Yunpeng Qu et al. / Advanced Materials, 2018


Ученые выбрали в качестве основы волокна сополимер, состоящий из двух фаз — твердой и мягкой. Регулируя соотношение этих фаз можно управлять свойствами материала, в том числе вязкоупругость и температуру размягчения, которые важны для процесса термовытяжки. Подобрав оптимальное соотношение для основы волокна исследователи начали экспериментировать с различными дополнительными материалами и структурами их организации в волокне. К примеру, они создали оптоволокно, сердцевина которого состоит из жесткого поликарбоната, а оболочка из мягкого сополимера. Кроме того, они создали несколько вариантов проводящих волокон, в которых за проводимость отвечает проводящий полимер с включениями технического углерода или жидкий при комнатной температуре сплав, такой как галинстан. Протестировав одно из таких волокон исследователи обнаружили, что оно может обратимо растягиваться в почти шесть раз.


Авторы предложили множество применений таким волокнам. Например, их можно встраивать в одежду или в роботов и по увеличению сопротивления измерять растяжение волокна. Кроме того, они создали прототип клавиатуры на основе волокна с двумя электродами. Во время нажатия на клавишу, нарисованную на волокне, электроды соединяются и напряжение в схеме меняются.

Недавно американские исследователи также использовали полимер и жидкий сплав для создания необычного эластичного материала. Он не только проводит ток, но и самопроизвольно создает новые проводящие дорожки при повреждении, восстанавливающие проводимость.

Григорий Копиев

https://nplus1.ru/news/2018/05/25/fiber
Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

by Admin » Sat Sep 08, 2018 7:06 pm

Робота научили ориентироваться в пространстве с помощью эхолокации

Image
Itamar Eliakim et al. / PLOS Computational Biology, 2018

Инженеры из Израиля и Швейцарии создали автономного робота, который ориентируется в пространстве, используя для этого только ультразвуковой излучатель и микрофоны. При этом робот не имеет предварительных данных об окружающей среде и составляет ее карту самостоятельно с помощью тех же приборов. Посвященная разработке статья опубликована в журнале PLOS Computational Biology.

Большая часть роботов, способных к автономному передвижению, опираются на данные с камер. Кроме того, многие из них могут работать в уже известном им месте, для которого создана высокоточная 3D-карта. Этот подход относительно прост и надежен, но работает только в хороших условиях. Плохое освещение или изменения на местности, не отраженные на карте, резко снижают эффективность системы позиционирования. Чтобы решить эту проблему в роботах и беспилотных автомобилях применяются дорогие лидары и радары, а для передвижения по незнакомой местности некоторые разработчики используют метод одновременной локализации и построения карты (SLAM).

Группа инженеров под руководством Йосси Йовела (Yossi Yovel) из Тель-Авивского университета применила в своем роботе Robat такой же метод ориентирования, но более необычный и доступный источник данных — ультразвуковой излучатель и микрофоны. Они расположены на поворотной мачте, установленной на четырехколесной платформе.

Image
Компоненты робота и схема сканирования пространства

Поскольку инженеры вдохновлялись эхолокацией летучих мышей, они запрограммировали робота таким образом, что он сканирует пространство с помощью ультразвуковых импульсов каждые полметра, что имитирует полет летучей мыши со скоростью пять метров в секунду, испускающей импульсы каждые 0,1 секунды. Ультразвуковой динамик излучает относительно узко направленные импульсы, поэтому роботу проходится во время каждой остановки делать три измерения, поворачивая мачту на 60 градусов в обе стороны.

Через каждые пять «шагов» (2,5 метра) робот наносит обнаруженные с помощью ультразвуковых импульсов препятствия на карту, причем не в исходном виде, а с искусственными границами, «раздутыми» вокруг центра препятствия.

Image
Пример составляемой роботом карты. Сверху видны центры обнаруженных роботом препятствий, а снизу показаны уже нанесенные на карту препятствия с увеличенными границами

Эксперименты показали, что средняя ошибка нанесения препятствий на карту относительно их реального местоположения составляет 42 сантиметра. Кроме того, инженеры создали для робота нейросетевой алгоритм, позволяющий ему не только определять наличие препятствия, но и классифицировать его. Пока разработчики научили алгоритм бинарной классификации препятствий на растения и остальные объекты. Кроме того, что алгоритм «знает» мало типов предметов, пока невысока и его точность классификации — она составляет около 68 процентов.



Недавно американский инженер создал очки, позволяющие оценивать расстояния до объектов по звуку. В них используется лазерный дальномер, показания с которого преобразуются в звук, передаваемый прямо в ушную раковину с помощью наушников, использующих костную проводимость.


https://journals.plos.org/ploscompbiol/article/file?id=10.1371/journal.pcbi.1006406&type=printable
https://ru.wikipedia.org/wiki/SLAM_(метод)

<< Предыдущая страница

Admin
Site Admin
 
Posts: 234
Joined: Wed Sep 20, 2017 9:55 am

PreviousNext

Return to Это интересно

cron

User Menu

Login