...

Мини-двигатель использует шум для преобразования информации в топливо

[ad_1]

Мини-двигатель использует шум для преобразования информации в топливо

Схематический информационный двигатель. (a) Детектор шума измеряет положение у бусины, фактически расположенной в Икс. Храповой механизм, основанный на (b) шумовом измерении положения у или (c) байесовская оценка положения Икс (синий пунктирный кружок). Кредит: Письма о физическом обзоре (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601

Слишком много фонового шума обычно гарантированно мешает работе. Но физики разработали микродвигатель, сделанный из стеклянных шариков, который может не только противостоять отвлекающему влиянию шума, но и использовать его для эффективной работы. Об их эксперименте сообщается в журнале Письма о физическом обзоре и был выбран журналом в качестве основного исследования.


В повседневной жизни мы знакомы с двигателями и моторами, которые потребляют топливо для направленного движения и, таким образом, выполняют полезную работу. Но все сложнее в микроскопическом мире, где шум в виде тепла может легко все испортить.

«Тепло заставляет компоненты небольших машин все время качаться вперед и назад», — объясняет старший автор Джон Беххофер, квантовый физик из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Британская Колумбия, и член Института фундаментальных вопросов, FQXi, аналитического центра физики. . Таким образом, обычно эффект такого теплового шума от тепла в окружающей среде заключается в уменьшении количества полезной работы, которую может произвести крошечный двигатель.

Но существует особое семейство микроскопических машин, называемых «информационными двигателями», которые могут использовать шум для целенаправленного движения. Информационная машина действует, измеряя небольшие движения, вызванные теплом, и используя эту информацию для выборочного усиления тех движений, которые идут «правильным» путем, в направлении, требуемом машиной.

«Информационный двигатель — это машина, которая преобразует информацию в работу», — говорит Беххофер.

Физики и инженеры воодушевлены созданием таких крошечных двигателей, использующих информацию, для разработки новых микроскопических машин для нанотехнологических приложений. «Существует большой интерес к тому, чтобы черпать вдохновение из биомолекулярных машин, созданных природой», — говорит соавтор Дэвид Сивак, физик из SFU. «Наша работа продвигает наше понимание того, как информация может использоваться в таких машинах, указывая на возможные способы использования для устойчивого сбора энергии или более эффективного компьютерного хранения и вычислений».

«Информационная машина — это машина, которая преобразует информацию в работу», — говорит Джон Беххофер.

Беххофер, Сивак и их коллеги из SFU Тушар Саха, Джозеф Лусеро и Янник Эрих построили информационный двигатель, используя микроскопические стеклянные шарики размером с бактерию, взвешенные в воде. Шарик свободно удерживается на месте лазерным лучом, который действует как опора под лучом. Молекулы воды мягко толкают шарик из-за естественных тепловых колебаний в жидкости, и время от времени шарик будет сотрясаться.

Вот в чем хитрость: когда команда измеряет, что шарик поднялся против силы тяжести из-за тепловых колебаний, они поднимают опору для лазера. В этом более высоком положении шарик теперь имеет больше накопленной энергии или гравитационной потенциальной энергии, подобно мячу, который держится вверх, готовый упасть.

Команде не пришлось тратить работу, чтобы поднять частицу; это движение происходило естественным образом благодаря колебаниям молекул воды. Таким образом, двигатель преобразует тепловое тепло воды в накопленную гравитационную потенциальную энергию, используя обратную связь о движении шарика для настройки лазерной ловушки. «Решение о том, следует ли поднимать ловушку, и если да, то насколько, зависит от информации, которую мы собираем о положении бусины, которая действует как «топливо» для двигателя», — говорит ведущий автор Саха.

В принципе, так это и работает, но правильно реализовать эту стратегию сложно, если в системе слишком много шума измерения, создаваемого яркостью лазерного луча, используемого для обнаружения шарика. В таких случаях неопределенность положения шарика для каждого измерения может быть больше, чем движения шарика, вызванные колеблющимися молекулами воды. «Измерительный шум приводит к ошибочной обратной связи и тем самым снижает производительность», — говорит Саха.

«Байесовский» информационный двигатель

Типичные информационные механизмы используют алгоритмы обратной связи, которые основывают решения на последнем измерении положения шарика, но эти решения могут быть неверными, когда ошибки измерения велики. В своей недавней статье команда хотела выяснить, есть ли способ обойти эту разрушительную проблему.

Они разработали алгоритм обратной связи, который основывался не просто на прямом измерении последнего положения шарика — поскольку это измерение могло быть неточным, — а на более точном измерении последнего положения шарика, основанном на всех предыдущих измерениях. Таким образом, этот алгоритм фильтрации мог учитывать ошибки измерения при выполнении оценки, называемой «байесовской оценкой».

«Комбинируя множество зашумленных измерений разумным образом с использованием модели динамики шарика, можно восстановить более точную оценку истинного положения шарика, значительно снизив потери производительности», — говорит Лусеро.

В своем новом эксперименте, о котором сообщается в Письма о физическом обзоре, команда продемонстрировала, что информационный механизм, который применяет обратную связь на основе этих байесовских оценок, работает значительно лучше, чем обычные информационные механизмы, когда ошибки измерения велики. На самом деле, большинство типичных информационных двигателей остановятся, если ошибки измерения слишком велики.

«Мы были удивлены, обнаружив, что когда ошибки измерения превышают критический порог, наивная машина больше не может работать как чисто информационная машина: лучшая стратегия — просто опустить руки и ничего не делать», — говорит Эрих. «Напротив, байесовская информационная машина способна выполнять небольшую положительную работу независимо от величины ошибки измерения».

За способность байесовского информационного двигателя извлекать энергию даже при больших ошибках измерения приходится платить. Поскольку байесовский механизм использует информацию из всех предыдущих измерений, ему требуется больше места для хранения и требуется больше обработки информации.

«Компромисс возникает из-за того, что уменьшение ошибки измерения увеличивает работу, извлекаемую из колебаний, но также увеличивает затраты на обработку информации», — говорит Эрих. Таким образом, команда обнаружила максимальную эффективность при промежуточном уровне ошибки измерения, когда они могли достичь хорошего уровня извлечения энергии, не требуя слишком большой обработки.

«Существует большой интерес черпать вдохновение из биомолекулярных машин, созданных природой», — говорит Дэвид Сивак.

В настоящее время команда исследует, как все может измениться, если шум, который «подпитывает» двигатель, возникает не от тепла, а от чего-то другого. «Мы готовим статью, в которой изучаем, как оптимальная стратегия обратной связи и производительность меняются, когда флуктуации перестают быть просто тепловыми, — говорит Саха, — но также возникают из-за активного потребления энергии в окружающей среде, как это имеет место в живых клетках. .»

Дополнительная информация:
Тушар К. Саха и др., Байесовский информационный механизм, оптимально использующий зашумленные измерения, Письма о физическом обзоре (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601

Предоставлено Институтом фундаментальных вопросов, FQXi

Цитата: Mini-engine использует шум для преобразования информации в топливо (14 ноября 2022 г.), получено 14 ноября 2022 г. с https://phys.org/news/2022-11-mini-engine-exploits-noise-fuel.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.



[ad_2]

Source link

(Посещений всего:4 times, 1)

Вячеслав

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Next Post

Астероиды-убийцы планет — можем ли мы когда-нибудь пропустить один из них, который направляется в нашу сторону?

Пн Ноя 14 , 2022
[ad_1] Если вы просматривали Интернет сегодня утром, вы, возможно, видели новости о последней экзистенциальной угрозе человечеству: астероиде-«убийце планет» под названием 2022 AP7. К счастью для нас, у 2022 AP7 «в настоящее время нет шансов столкнуться с Землей», по словам Скотта Шеппарда из Института науки Карнеги. Он и его международная команда […]
https://curiousfact.ru/

Вам может понравиться

Серафинит - АкселераторОптимизировано Серафинит - Акселератор
Включает высокую скорость сайта, чтобы быть привлекательным для людей и поисковых систем.