Zhe Xu, Emanuel Todorov / University of Washington

Американские ученые создали роботизированный телеуправляемый манипулятор, устройство и механика которого точно копируют человеческую кисть. Отчет о разработке подготовлен для представления на Международной конференции по робототехнике и автоматике (ICRA 2016), которую Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) проведет с 16 по 21 мая в Стокгольме.

Исследователи из Вашингтонского университета в Сиэтле отметили, что современные биомиметические антропоморфные протезы значительно уступают по функциональности реальной человеческой руке, поскольку содержат множество компромисных технических решений (замену суставов петлями, тягами, гироскопами и т.д.). В своей работе они решили точно скопировать форму и механику реальной кисти.

Разработчики начали с того, что отсканировали лазером скелет кисти и напечатали точные копии костей на 3D-принтере. Так они получили суставы без фиксированных осей, например, сустав между фалангой большого пальца и костями пясти, позволяющий приводить, отводить и противопоставлять палец.

Силовые манипуляции

Тонкие манипуляции
Zhe Xu, Emanuel Todorov / University of Washington

Связки и сухожилия изготовили из высокопрочных струн из полиэтилена с ультравысокой молекулярной массой (Spectra). Замену мягких тканей, принимающих участие в движении кисти (ограничивающих подвижность или обеспечивающих эластичность) вырезали лазером из резины. Из нее же изготовили каналы для сухожилий и разгибательные кожухи — сложные сетчатые многослойные структуры, которые покрывают пальцы, улучшая гибкость и плавность движений.

В качестве мышц инженеры применили 10 сервомоторов Dynamixel, соединенных с полиэтиленовыми струнами так же, как мышцы предплечья с сухожилиями. Для контроля движений к кончикам пальцев прикрепили отражающие маркеры, координаты которых записывали системой регистрации Vicon Bonita из семи 240-герцовых инфракрасных камер с VGA-разрешением.

@

 

Получившийся манипулятор соединили с системой датчиков, надевающейся на руку оператора. Благодаря практически точному механическому сходству с рукой он с высокой точностью копировал движения человека, как при силовых, так и при тонких манипуляциях.

Исследователи намерены усовершенствовать конструкцию манипулятора, чтобы сделать его пригодным для телеуправляемых задач, где необходима тонкость движений, соответствующая человеческой кисти. Также они планируют связаться со специалистами в области тканевой инженерии, чтобы использовать манипулятор как механический каркас для выращивания искусственных конечностей.

Олег Лищук

 

Фондом перспективных исследований и Министерством образования и науки Российской Федерации в 2014 году был запущен совместный проект по созданию научных лабораторий на базе подведомственных министерству вузов. Руководители лабораторий рассказали на совещании в Минобрнауки России, каких промежуточных научно-технических результатов они достигли за минувшее со старта проекта время.

Задача лабораторий – выполнение прорывных исследований в области разработки и производства высокотехнологичной продукции военного, специального и двойного назначения. Фонд перспективных исследований (ФПИ) финансирует проведение исследований, а Минобрнауки России – закупку оборудования и расходных материалов (в рамках государственного задания).

В Лаборатории «Материалы специального назначения» (Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского), оснащённой современным оборудованием, работает 27 человек. Учёные создают перспективные системы, которые позволят снизить уровень заметности военнослужащего в различных диапазонах электромагнитного излучения, разрабатывают новые материалы для предотвращения поражений органов дыхания и кожи, а также материалы для обмундирования, обладающие повышенной водонепроницаемостью, бактериальной фильтрацией и устойчивостью к воздействию открытого пламени. Полученные в лаборатории опытные образцы материалов уже превосходят зарубежные аналоги по ключевым параметрам. Одежда из них может производиться не только для нужд Вооружённых Сил, но и для работы в условиях полярного климата, для активного отдыха и занятий экстремальными видами спорта. На базе Саратовского госуниверситета планируется развернуть опытно-промышленное производство новых материалов для выполнения задачи импортозамещения.

Цель Лаборатории лазерного наноструктурирования стекла (Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева) – создание «вечного» архивного носителя информации, который не потребует перезаписи в течение сотен и даже тысяч лет. Результаты исследований взаимодействия лазерного излучения с оксидными стёклами, проведённых коллективом лаборатории, в которой работает 15 человек, подтверждают, что наноструктурированное стекло обеспечит возможность записи на носителях в виде дисков стандартного CD размера гигантских объёмов информации, исчисляемых терабайтами. В настоящий момент ведутся работы по повышению скорости записи и считывания данных. Подтверждено, что записанные данные смогут сохраняться при комнатной температуре неограниченно длительное время, а диски способны выдерживать термоудар с перепадом температур до 1000°C.

Коллектив Лаборатории прогрессивных полимеров (Кабардино-Балкарский государственный университет имени Х.М. Бербекова) из 26 человек создаёт суперконструкционные инженерные полимеры для 3D печати с повышенными эксплуатационными характеристиками. Также в лаборатории разрабатывается установка для послойного лазерного спекания создаваемых материалов. В перспективе планируется наладить в России производство суперконструкционных полимеров, которые могут использоваться в медицине, электронике, автомобилестроении, аэрокосмической и химической отраслях.

Сотрудники Лаборатории аддитивных технологий и проектирования материалов (Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского), а это 28 человек, решают задачи создания технологии 3D печати полиметаллических изделий сложной формы. На первом этапе исследований был создан макет аддитивной установки монометаллической печати и разработано программное обеспечение для управления ею. Результаты разработок найдут применение в области машиностроения, в производстве инструментов для медицины и в других отраслях.

По мнению заместителя министра образования и науки Российской Федерации Александра Повалко, совместный с Фондом перспективных исследований проект по созданию научных лабораторий реализуется достаточно эффективно.

Генеральный директор ФПИ Андрей Григорьев обратил внимание руководителей лабораторий на необходимость полного использования потенциала научных коллективов, дальнейшего укрепления проектов и максимальной нацеленности на результат.

 

Химики сложили пирамидан из германия

Пирамидан с кремниевым основанием и вершиной — атомом олова
Изображение: Vladimir Ya. Lee et al. / Organometallics, 2016

Международная группа химиков под руководством Владимира Минкина (Южный Федеральный Университет, Ростов-на-Дону), Владимира Ли и Акиры Секигути (Университет Цукубы, Япония) впервые синтезировала серию пирамиданов, содержащих в своем составе атомы германия, кремния, олова и свинца. Этот класс соединений обладает уникальной структурой и, несмотря на теоретически предсказанную стабильность, до последних лет не был экспериментально получен. Полученные пирамиданы могут выступать в роли чрезвычайно активных источников атомов металлов в органическом синтезе, однако их активность еще предстоит изучить. Исследование опубликовано в журнале Organometallics, кратко о немсообщает блог Королевского химического общества (Великобритания). 

Пирамиданы представляют собой молекулярные пирамиды, основания которых состоят из нескольких (в исследовании — четырех) атомов углерода, кремния или германия. В качестве вершины пирамиды авторы выбрали атомы германия, олова и свинца. Ранее были предложены два пути их синтеза путем перестройки внутренних связей в молекуле, отличающихся исходным состоянием. Первая из исходных структур представляет собой тетраэдр, на одном из ребер которого размещен дополнительный атом — будущая вершина, вторая — квадрат с присоединенной к одной из сторон вершиной. 

Возможные исходные структуры, способные реорганизоваться в пирамидан (B, C)
Изображение: Vladimir Ya. Lee et al. / Organometallics, 2016

Для того, чтобы частицы могли успешно изомеризоваться, атом-вершина должен находиться в активированном состоянии, что усложняет получение исходных веществ. В своей работе авторы выбрали подход, основанный на квадратной структуре с присоединенной вершиной. Однако это соединение крайне нестабильно, его чрезвычайно трудно выделить и «положить на полку», поэтому оно генерировалось in situ — прямо в реакционной смеси. 

Синтез пирамиданов с углеродным основанием
Изображение: Vladimir Ya. Lee et al. / Organometallics, 2016

Химики смешивали соль замещенного циклобутадиена — будущего основания пирамиды — с соответствующими дихлоридами германия (GeCl2.diox), олова (SnCl2) и свинца (PbCl2) и перемешивали их полчаса при комнатной температуре без доступа кислорода. В результате образовывались осадки бледно-желтого, светло-желтого и ярко-оранжевого цвета для германия, олова и свинца соответственно — целевые пирамиданы. Кроме углеродных оснований, авторам удалось ввести в реакцию кремниевые и германиевые основания, в частности, синтезировав полностью германиевый пирамидан.

Ковалентная и ионная форма пирамиданов
Изображение: Vladimir Ya. Lee et al. / Organometallics, 2016

Авторы изучили кристаллическую структуру соединений и проанализировали с помощью методов квантовой химии характер связей в соединении. Необычными оказались связи вершина-основание — полученные пирамиданы оказались обладателями двух резонансных форм, в одной из которых все четыре связи ковалентны, а в другой вершина оказывается катионом, привязанным к отрицательно заряженному основанию, причем вклад обеих форм примерно одинаков. 

Молекулы-многогранники — одно из экзотических проявлений химии, позволяющих протестировать существующие теории строения вещества. К примеру, необычный факт стабильности пирамиданов при комнатной температуре был предсказан методами квантовой химии. Кроме того, новое соединение может послужить источником незамещенных атомов-вершин в органическом синтезе. 

Ранее были описаны молекулы с подобной геометрией, однако, они представляли собой комплексы d-элементов или же соли циклобутадиена. Углеродный пирамидан на сегодняшний день синтезирован не был, однако его аналог — замещенный тетраэдран (треугольная пирамида) — впервые был получен в 1978 году.

Владимир Королёв

 

Симуляция помогла «ощупать» магнитное поле за пределами гелиосферы

Солнце испускает поток заряженных частиц, называемых солнечным ветром, которые движутся со сверхзвуковыми скоростями (около 450 км/c). Когда эти частицы (преимущественно гелиево-водородная плазма) долетают до гелиопаузы, области, где давление звездного и солнечного ветра выравнивается, их скорость падает до 100 км/с. Эту область называют границей ударной волны (termination shock). Снаружи имеется еще одна ударная волна — головная — которая является зоной торможения межзвездного вещества (bow wave). В районе между внутренней ударной волной и гелиопаузой (heliopause) протоны от солнечного ветра отнимают электроны у атомов межзвёздного газа и создают так называемые энергичные нейтральные атомы (ЭНА).
NASA

Группа астрофизиков во главе с ученым из исследовательского института Southwest смогла разграничить области происхождения частиц, обладающих различными энергиями, внутри IBEX-ленты. Она также смогла определить магнитную индукцию и направление ближнего межзвездного магнитного поля, непосредственно взаимодействующего с «лентой». Работа ученых опубликованав журнале The Astrophysical Journal Letters.

Несколько лет назад IBEX зарегистрировал необычный источник самых обширных и мощных потоков энергичных нейтральных атомов, летящих в сторону гелиосферы из области межзвездного пространства. Этот источник назвали IBEX-лентой. Она находится в районе между внутренней ударной волной и гелиопаузой и опоясывает всю гелиосферу. Одна из вероятных теорий происхождения этого пояса заключается в том, что на энергичные нейтральные атомы, источникам которых по одной из версий считается Солнце, оказывает действие ближнее межзвездное магнитное поле. 

Частицы солнечного ветра, удалившись примерно на расстояние 100 астрономических единиц от Солнечной системы, вступают в контакт с межзвездным магнитным полем. Магнитное поле задерживает частицы и отбрасывает их назад в гелиосферу, где их регистрирует IBEX с помощью камер энергичных нейтральных атомов IBEX-Hi (работает в диапазоне от 0,3 до 6 кэВ) и IBEX-Lo (работает в диапазоне от 0,01 до 2 кэВ). Эти частицы несут информацию обо всех взаимодействиях с межзвездным магнитным полем.

Астрофизики провели 3D моделирование, основываясь на симуляции взаимодействия солнечного ветра и местной межзвездной среды и магнитогидродинамическом описании солнечной и межзвездной плазмы. На его основе они построили карту происхождения частиц ленты, обладающих разными энергиями и скоростями вне гелиопаузы. Расчеты показывают, что частицы с разными энергиями приходят из разных областей межзвездного пространства. Это дает информацию о ближнем межзвездном магнитном поле.

Области происхождения частиц с различными энергиями в IBEX ленте. HP — гелиосфера, ISMF — линии межзвездного магнитного поля.
E. J. Zirnstein et al

Также ученые на основе гипотезы о том, что местное межзвездное магнитное поле оказывает непосредственное влияние на IBEX ленту, смогли определить магнитную индукцию (2.93 ±0.08 микроГаусс) и направление вектора магнитной индукции этого поля (азимут 293°.0±1°.5 и высота 21°.5±1°.5 ) на расстоянии до 1000 АЕ от Солнца, где оно не затронуто влиянием гелиосферы.

Результаты, полученные астрофизиками, согласуются с результатами, полученными аппаратом Voyager 1, который в конце 2004 года преодолел границу гелиосферной ударной волны.

«Новые результаты могут быть использованы для того, чтобы лучше понять, как наша космическая среда взаимодействует с межзвездной средой за пределами гелиопаузы», — заметил Эрик Кристиан, участник программы IBEX. Понимание этого взаимодействия, по мнению ученых, может пролить свет на природу происхождения IBEX ленты, которая до сих пор остается неясной.

Кристина Уласович

 

Компания First Solar и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии сообщили сразу о двух прорывах в технологии тонкопленочных солнечных батарей на основе теллурида кадмия — рекорде эффективности и напряжения, снимаемого с фотоэлементов. Обзор результатов исследований приводит издание MIT Technology Review.

First Solar, промышленный производитель батарей на теллуриде кадмия, добилась эффективности превращения света в электричество на уровне 22,1 процента. Модуль-рекордсмен был создан на производственной площадке в Перрисбурге, Огайо. Компания отмечает, что для его производства были использованы процессы и материалы, которые, в перспективе, можно применить и в масштабном производстве, однако не раскрывает подробностей процесса. Измерения были учтены Министерством энергетики США.

Практически одновременно с этим, в журнале Nature Energy вышла статья одной из лабораторий Министерства энергетики. Ее инженерам удалось превысить практический предел напряжения одного теллурид-кадмиевого элемента в один вольт, чего не удавалось сделать на протяжение последних нескольких десятков лет. Однако работа была выполнена на монокристаллических устройствах. Для этого исследователи отошли от стандартного метода выращивания кристаллов и встроили допировали структуру атомами фосфора.

Один из важных параметров солнечных батарей — максимальный теоретический КПД. Его значение связано с тем, что полупроводниковые структуры, на которых строятся фотоэлементы, способны эффективно поглощать и перерабатывать только определенные участки спектра, начиная с некоторой энергии. Для самых распространенных кремниевых солнечных батарей эта величина не достигает 30 процентов. Электронная структура теллурида кадмия позволяет в теории достигнуть больших значений эффективности.

КПД коммерчески доступных элементов на основе кремния достигает сейчас 16-18 процентов. Промышленные тонкопленочные фотоэлементы на CdTe, по данным на конец 2015 года, обладают КПД 16,4 процента.

Владимир Королёв

 

Появились новые данные о загадочном сверхтяжелом бозоне

^{Столкновение, приводящее к образованию двух фотонов (зеленый) с суммарной энергией 750 гигаэлектронвольт
CMS / CERN}

Физики из коллаборации CMS сообщили о росте статистической значимости события, указывающего на существование новой сверхмассивной частицы с массой в несколько раз превышающей топ-кварк. Обновленные данные ATLAS такого роста не демонстрируют, что связано с более строгими критериями, использованными для анализа. По словам физиков, некоторые выводы удастся сделать после обработки результатов нового пуска LHC после зимнего перерыва. Доклад CMS состоялся 17 марта на конференции в итальянском Ла-Тюиль, кратко о нем сообщает Nature.

Согласно докладу коллаборации, глобальная статистическая значимость пика соответствующего распаду некоторой частицы на два фотона с суммарной энергией 750 гигаэлектронвольт увеличилась с 1,2 до 1,6 сигма. Локальная значимость увеличилась до 3,4 сигма. Это связано с тем, что исследователи включили в анализ столкновения, происходившие в начале 2015 года, когда магнит детектора был выключен из-за проблем в системе охлаждения. Эти данные требовали отдельной тщательной обработки и увеличили общую выборку на 23 процента. Однако значимость события все еще гораздо ниже, чем требуемые для открытия 5 сигма, поэтому физики говорят о наблюдениях с большой осторожностью. 

Коллаборация ATLAS также обновила данные по событию, ужесточив критерии отбора — результат в предположении спина частицы равного двум (например, гравитон) оказался немного ниже рассчитанной изначально значимости: 1,8 против 1,9 сигма в начале. Если же спин гипотетической частицы равен нулю, то глобальная значимость события составляет 2,0 сигма. Локальная значимость увеличилась до 3,9 сигма. Марко Дельмастро, представитель эксперимента отметил, что рост значимости у CMS это многообещающий знак. «Но нам нужно быть осторожными с выводами. Статистика — суровая хозяйка», — добавил Дельмастро. 

Новые данные об избытке частиц на энергии 750 гигаэлектронвольт могут быть представлены на будущей неделе — на конференции запланированы доклады об анализе иных каналов распада, кроме превращения частицы в пару фотонов. До сих пор поиски неизвестной частицы в них не приводили к существенным результатам, но это может быть связано с нехваткой данных. По словам ученых, если пик является случайной флуктуацией, то к июню, или, в худшем случае, к августу, ATLAS и CMS наберут достаточно данных для того, чтобы он «рассосался». Начиная с апреля Большой Адронный Коллайдер начнет вновь собирать статистику с гораздо более высокими темпами, чем в 2015 году. 

Если пик окажется настоящей частицей, то, скорее всего, он будет указанием на новый бозон — переносчик взаимодействий. Его существование не предсказывается Стандартной Моделью, что вызвало массу обсуждений в среде физиков-теоретиков. Так, с момента анонса данных ученые подготовили уже 285 препринтов статей, посвященных возможным объяснениям события. Среди них есть предположения о том, что тот бозон — более тяжелый аналог Хиггса, — или же гравитон, гипотетической частицы, ответственной за гравитацию. По мнению экспертов, его открытие станет самым большим событием в физике элементарных частиц с обнаружения тау-лептона в 1975 году.

Впервые слухи о намеке на новую частицу появились накануне отчетной конференции в CERN, состоявшейся 15 декабря 2015 года. Коллаборации ATLAS и CMS с осторожностью отнеслись к наблюдениям и сообщили лишь данные о локальной и глобальной значимости избытка фотонов. Для CMS она составляет 2,6 сигма (локальная) и 1,2 глобальная, для ATLAS — 3,6 сигма локальная и 1,9 глобальная. 

Владимир Королёв