Группа из учёных Массачусетского технологического института и их зарубежных коллег создала, как они утверждают, первый полностью фотонный процессор для приложений искусственного интеллекта. Фотонный процессор работает не хуже аналогов на кремниевых транзисторах, но проводит вычисления с намного меньшим потреблением энергии. Это особенно важно для создания «думающей» периферии — лидаров, камер, устройств связи и другого, к чему теперь открыта прямая дорога.

Источник изображения: Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics

Основная проблема при создании полностью фотонного чипа для ИИ заключается в том, что свет хорошо справляется с линейными вычислениями, тогда как нелинейные вычисления производятся с существенными затратами энергии. Для проведения последних необходимы специальные блоки, ведь фотоны реагируют друг с другом только в особых условиях. Поэтому прежде линейные операции, например, умножение матриц, проводились фотонным блоком, а для нелинейных вычислений световой сигнал переводился в форму электрического импульса и дальше обрабатывался по старинке — обычным процессором из кремниевых транзисторов.

Учёные из MIT поставили перед собой цель создать единый процессор, у которого на вход подавался бы световой сигнал и световой же сигнал был бы на выходе без использования кремниевых сопроцессоров. По их словам, используя предыдущие работы и находки зарубежных коллег, они добились поставленной задачи.

Разработанное исследователями оптическое устройство смогло выполнить ключевые вычисления для задачи классификации с помощью машинного обучения менее чем за половину наносекунды, при этом достигнув точности более 92 % — это производительность, которая находится на одном уровне с традиционным оборудованием. Созданный чип состоит из взаимосвязанных модулей, образующих оптическую нейронную сеть и изготовлен с использованием коммерческих литографических техпроцессов, что может обеспечить масштабирование технологии и её интеграцию в современную электронику.

Учёные обошли проблему с нелинейными фотонными вычислениями интересным образом. Они разработали интегрированный в оптический процессор блок NOFU — нелинейно-оптический функциональный блок, который позволил задействовать электронные цепи вместе с оптическими, но без перехода к внешним операциям. По-видимому, блок NOFU был выбран как компромисс между чисто фотонными нелинейными схемами и классическими, электронными.

Вначале система кодирует параметры глубокой нейронной сети в световых импульсах. Затем массив программируемых светоделителей выполняет матричное умножение входных данных. Потом данные передаются в программируемый слой NOFU, где реализуются нелинейные функции, передавая световые сигналы на фотодиоды. Последние, в свою очередь, транслируют световой сигнал в электрические импульсы. Поскольку этот этап не требует внешнего усиления, блоки NOFU потребляют очень мало энергии.

«Мы остаемся в оптической области всё время, до конца, когда хотим считать ответ. Это позволяет нам добиться сверхнизкой задержки», — говорят авторы исследования.

Генеративные ИИ-модели будоражат воображение руководителей многих компаний, обещая автоматизацию и замену миллионов рабочих мест. Однако учёные Массачусетского технологического института (MIT) предостерегают: ИИ хотя и даёт правдоподобные ответы, в действительности не обладает пониманием сложных систем и ограничивается предсказаниями. В задачах реального мира, будь то логические рассуждения, навигация, химия или игры, ИИ демонстрирует значительные ограничения.

Источник изображения: HUNGQUACH679PNG / Pixabay

Современные большие языковые модели (LLM), такие как GPT-4, создают впечатление продуманного ответа на сложные запросы пользователей, хотя на самом деле они лишь точно предсказывают наиболее вероятные слова, которые следует поместить рядом с предыдущими в определённом контексте. Чтобы проверить, способны ли ИИ-модели действительно «понимать» реальный мир, учёные MIT разработали метрики, предназначенные для объективной проверки их интеллектуальных способностей.

Одной из задач эксперимента стала оценка способности ИИ к генерации пошаговых инструкций для навигации по улицам Нью-Йорка. Несмотря на то что генеративные ИИ в определённой степени демонстрируют «неявное» усвоение законов окружающего мира, это не является эквивалентом подлинного понимания. Для повышения точности оценки исследователи создали формализованные методы, позволяющие анализировать, насколько корректно ИИ воспринимает и интерпретирует реальные ситуации.

Основное внимание в исследовании MIT было уделено трансформерам — типу генеративных ИИ-моделей, используемых в таких популярных сервисах, как GPT-4. Трансформеры обучаются на обширных массивах текстовых данных, что позволяет им достигать высокой точности в подборе последовательностей слов и создавать правдоподобные тексты.

Чтобы глубже исследовать возможности таких систем, учёные использовали класс задач, известных как детерминированные конечные автоматы (Deterministic Finite Automaton, DFA), которые охватывают такие области, как логика, географическая навигация, химия и даже стратегии в играх. В рамках эксперимента исследователи выбрали две разные задачи — вождение автомобиля по улицам Нью-Йорка и игру в «Отелло», чтобы проверить способность ИИ правильно понимать лежащие в их основе правила.

Как отметил постдок Гарвардского университета Кейон Вафа (Keyon Vafa), ключевая цель эксперимента заключалась в проверке способности ИИ-моделей восстанавливать внутреннюю логику сложных систем: «Нам нужны были испытательные стенды, на которых мы точно знали бы, как выглядит модель мира. Теперь мы можем строго продумать, что значит восстановить эту модель мира».

Результаты тестирования показали, что трансформеры способны выдавать корректные маршруты и предлагать правильные ходы в игре «Отелло», когда условия задач точно определены. Однако при добавлении усложняющих факторов, таких как объездные пути в Нью-Йорке, ИИ-модели начали генерировать нелогичные варианты маршрутов, предлагая случайные эстакады, которых на самом деле не существовало.

Исследование MIT показало принципиальные ограничения генеративных ИИ-моделей, особенно в тех задачах, где требуется гибкость мышления и способность адаптироваться к реальным условиям. Хотя существующие ИИ-модели могут впечатлять своей способностью генерировать правдоподобные ответы, они остаются всего лишь инструментами предсказания, а не полноценными интеллектуальными системами.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип трёхмерных транзисторов, способных работать при значительно более низком электрическом напряжении, чем традиционные кремниевые решения. Технология основана на использовании ультратонких полупроводниковых материалов и, возможно, в будущем станет основой для производства более мощной и экономичной электроники — от смартфонов до автомобилей.

Источник изображения: mit.edu

Кремниевые транзисторы, используемые для усиления и переключения сигналов, являются критически важным компонентом большинства электронных устройств, используемых как в быту, так и на производстве. Однако развитие технологии кремниевых полупроводников сдерживается законами физики, которые не позволяют транзисторам работать ниже определённого напряжения, поясняют учёные.

Это ограничение, известное как «тирания Больцмана», затрудняет повышение энергоэффективности компьютеров и других электронных устройств, особенно в условиях стремительного развития технологий искусственного интеллекта, где требуются большие вычисления.

В стремлении преодолеть этот фундаментальный предел кремния исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый тип трёхмерных транзисторов, используя уникальный набор ультратонких полупроводниковых материалов. Эти устройства, оснащённые вертикальными нанопроводами шириной всего несколько нанометров, могут обеспечивать производительность, сопоставимую с современными кремниевыми транзисторами, но при этом эффективно работать на гораздо более низких уровнях напряжения.

Технология использует свойства квантовой механики, а чрезвычайно малый размер транзисторов позволит размещать их на компьютерном чипе в большем количестве, что, в свою очередь, приведёт к созданию быстрой, мощной и энергоэффективной электроники. «Эта технология потенциально способна заменить кремний, поэтому её можно использовать для всех функций, которыми обладает кремний в настоящее время, но с гораздо большей энергоэффективностью», — отмечает Яньцзе Шао (Yanjie Shao), исследователь из MIT и основной автор статьи.

По словам другого автора этой работы, профессора Хесуса дель Аламо (Jesús del Alamo), с помощью традиционной физики невозможно продвинуться дальше определённого уровня, но работа Яньцзе Шао показывает, что вполне возможно достичь большего, однако для этого нужно использовать иную физику. «Конечно, остаётся ещё много вызовов, которые предстоит преодолеть, чтобы сделать этот подход коммерчески жизнеспособным в будущем, но концептуально это действительно прорыв», — добавил он.

Учёные Массачусетского технологического института (США) перевели атомы в экзотическое «пограничное состояние», в котором они свободно перемещаются без трения. Исследовательский проект может сыграть большую роль в создании сверхпроводящих материалов.

Источник изображения: news.mit.edu

Двигаясь по различным веществам, электроны встречают сопротивление разного уровня. В изоляторах движение электронов отсутствует или является незначительным, в полупроводниках оно происходит лишь отчасти, в проводниках — в значительной мере, а в сверхпроводниках движение происходит вообще без какого-либо сопротивления. В теории сверхпроводящие материалы можно будет использовать для высокоскоростной передачи данных и энергии, а создаваемое ими сильное электромагнитное поле окажется полезным в левитирующем высокоскоростном транспорте.

Изучение движения электронов — задача сложная, потому что эти частицы чрезвычайно малы и движутся очень быстро. Поэтому в рамках исследовательского проекта американские учёные заставили аналогичным образом вести себя атомы, более крупные и медленные. Они изучали сверхпроводимость в «пограничных состояниях» (edge states). В некоторых материалах электроны могут беспрепятственно двигаться только по определенным участкам — когда на их пути возникают препятствия, электроны их огибают, а не отскакивают. Применительно к электронам такие состояния длятся считанные фемтосекунды (квадриллионные доли секунды) и ограничиваются расстояниями в доли нанометра, поэтому проводить измерения в таких условиях очень сложно.

Чтобы преодолеть эту проблему, американские учёные построили установку, где такая же физика работает на уровне атомов на участках в несколько микронов при продолжительности в несколько миллисекунд. Для этого они поместили в лазерную ловушку около миллиона атомов натрия при температуре, близкой к абсолютному нулю, и начали быстро вращать их по кругу. В таких условиях ловушка втягивает атомы внутрь, центробежная сила выталкивает их наружу — на уровне атомов получает некое подобие плоского мира, который в реальности вращается. И есть ещё третья сила — сила Кориолиса, которая отклоняет атомы при движении по прямой линии. В результате крупные частицы начинают вести себя подобно электронам в магнитном поле.

После этого учёные установили границу — кольцо лазерного света вокруг внешней стороны участка. Касаясь этого кольца, атомы «прилипали» к нему, свободно перемещаясь по границе в одном направлении. Далее учёные установили в системе несколько препятствий — направили в лазерное кольцо несколько световых точек, но атомы не отскакивали от препятствия, а начали его огибать. Такое движение атомов соответствует поведению электронов в «пограничном состоянии», но на уровне более крупных частиц этот процесс впервые удалось наблюдать напрямую. Эту модель исследователи смогут использовать для проверки новых теорий, чтобы узнать больше о физике сверхпроводников, вводя в систему новые препятствия и осуществляя взаимодействия, последствия которых пока представляются непредсказуемыми.

Исследователи Массачусетского технологического института создали и испытали вместе с пациентами передовой бионический протез голеностопного сустава. Протез считывает сигналы о мышечных сокращениях на оставшейся части конечности и достраивает алгоритм работы недостающей части, транслируя его в сигналы для электромеханического протеза. С таким протезом пациенты могут танцевать, заявили учёные.

Источник изображения: Hugh Herr and Hyungeun Song / MIT

Операции по ампутации конечностей разрывают нервные связи и мышцы, участвующие в работе конечностей. Эти мышцы делятся на агонистов, которые отвечают за конкретные действия и антагонистов, которые совершают обратное движение. Как предположили в MIT, отсутствие (ампутация) агонистов не помешает восстановить нервный сигнал и реакцию на него протеза, если считать данные с мышц антогонистов.

С помощью специального хирургического вмешательства в процессе ампутации конечности на мышцах антагонистах создаётся интерфейс для считывания импульсов по их сокращению. Также операция должна предусматривать сохранение работы этих мышц, что, вероятно, потребует дополнительных хирургических действий по закреплению мышц со стороны ампутации. Затем эти сигналы считываются протезом голени, который заканчивается механической стопой с несколькими степенями свободы. Контроллер декодирует сигналы с мышц-антагонистов и направляет их на сервомоторы голеностопа, делая ходьбу пациента более естественной.

Нервные сигналы, приходящие в мышцы выше уровня ампутации, соответствуют намерениям человека двигать отсутствующей (фантомной) конечностью. Работа с семью пациентами показала, что во всех случаях интерфейс AMI (мионевральный интерфейс агонист-антагонист) сходу показывает свои лучшие качества, делая походку пациента более естественной и простой, а также снижает посттравматические боли в ампутированных частях конечностей. В MIT рассчитывают, что коммерческий вариант бионического протеза с интерфейсом AMI будет готов через пять лет. А пока на видео выше можно посмотреть, как пациент с механической ногой ходит по лестнице. Это просто фантастика.

Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

В конце 2023 года учёные из Массачусетского технологического института (MIT) буквально огорошили научный мир, открыв явление испарения воды без нагрева. Бесчисленные века человечество видело туманы, облака, дымку и прочее, что позже учёные связали с процессами испарения при нагреве воды. Но оказалось, что при испарении важна не только температура, но и сам свет (фотоны), который способен испарять воду и даже эффективнее, чем нагрев. И это оказалось важным.

Источник изображения: Bryce Vickmark/MIT

На днях в журнале PNAS вышла статья исследователей из MIT, которые продолжили эксперименты с «фотомолекулярным эффектом», как они назвали открытое явление. Учёные провели 14 опытов, доказывающих и проясняющих ряд моментов воздействия света на воду, в ходе которого молекулы воды отрывались от её поверхности и превращались в пар. Например, ещё в прошлом году было замечено, что наиболее сильное воздействие на эти процессы — на отрыв кластеров молекул воды от её жидкой поверхности — оказывал зелёный свет. В новых опытах учёные изменяли наклон освещения и поляризацию света.

Исследования показали, что сильнее всего испарение шло при освещении под углом 45°. Поляризация также оказывала влияние на интенсивность испарения, но этот момент ещё предстоит уточнить. Самое забавное, что учёные пока не понимают до конца, как объяснить данное явление, при котором зелёный свет под углом 45° начинает интенсивно поглощаться водой в состоянии пара и приводить к ощутимому эффекту испарения жидкой воды.

Лабораторные установки исключали всякую передачу тепла пару или воде, обеспечивая освещение светодиодами. Тем не менее, испарение при освещении воды светом начиналось и продолжалось, пока был свет. В темноте явление отсутствовало.

Собственно говоря, климатологи давно ломали копья в спорах о степени поглощения света облачной массой Земли и о влиянии всего этого на климат планеты. Данные были противоречивы и демонстрировали заметные расхождения между наблюдениями и моделями. С открытием фотомолекулярного эффекта всё может встать на свои места. Модели обретут недостающие контуры и будут соответствовать наблюдениям, а понимать эти процессы не просто важно, а принципиально необходимо, ведь на этом строится климатическая повестка со всеми вытекающими.

Наконец, открытие испарения без нагрева — это путь к новым и эффективным опреснителям и технологическим процессам сушки при производстве всего: от продуктов до древесины, бумаги и даже электродов литиевых аккумуляторов. Учёные, кстати, уже начали получать запросы на разработку фотомолекулярных сушилок от тех или иных представителей промышленности. Так что дело может быстро набрать ход.

Инженеры с Факультета электротехники и информатики (EECS) в Массачусетском технологическом институте решили наделить роботов «здравым смыслом» при помощи большой языковой модели искусственного интеллекта. Исследователи уверены, что это сделает роботов по-настоящему полезными в работе по дому.

Источник изображения: mit.edu

Современные роботы достаточно эффективно программируются выполнять конкретные задачи в пределах своих физических возможностей, и они будут благополучно это делать, пока не изменятся внешние условия. С неожиданностями роботы справляться не умеют, поэтому Boston Dynamics пришлось так постараться для разработки машин, способных удерживать равновесие. Для преодоления этой проблемы инженеры Массачусетского технологического института связали физические движения роботов с моделями ИИ, которые используются для генерации контента.

Они применили подход, позволяющий роботу разбивать задачи на подзадачи. Осуществляя действия шаг за шагом, он приспосабливается к неожиданным событиям, не начиная заново. Это значит, что инженерам даже не придётся программировать роботов с исправлениями, учитывающими все непредвиденные обстоятельства. Большие языковые модели обращаются к собственным библиотекам данным для генерации слова, изображения, компьютерного кода или любого другого поддерживаемого контента. В этом проекте слова заменили подзадачами.

Технологию испытали на роботизированной руке-манипуляторе, которой дали задачу перекладывать шарики из одной миски в другую. Большая языковая модель помогла разбить эту задачу на несколько подзадач, сопоставив их с движениями робота. Исследователи позволили выполнить её, и когда робот усвоил основы выполнения задачи, инженеры начали ему «мешать», смещая манипулятор. При работе на основе традиционного алгоритма машине пришлось бы возвращаться к известной отправной точке, чтобы продолжить выполнение задачи, но ИИ-модель помогла ему определять собственное положение в любых условиях и продолжать работу с того места, где он остановился.

Авторы проекта уверены, что это поможет в создании домашних помощников, способных адаптироваться к окружающей среде и справляться с внешними трудностями — человеку не придётся программировать робота на все случаи жизни, ведь он сможет обучаться самостоятельно посредством модели ИИ.

В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.

Источник изображений: MIT

Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.

До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.

«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.

Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.

В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.

Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.

Химики Массачусетского технологического института за несколько лет работы по заказу компании Lamborghini создали перспективный материал для катодов, который может вытеснить кобальт из литиевых аккумуляторов. Новые аккумуляторы сэкономят до 70 % стоимости производства литиевых аккумуляторов, и будут содержать меньше дефицитных и вредных химических веществ. При этом они будут не хуже обычных батарей и даже лучше.

Источник изображения: MIT

Новое пустое обещание, скажите вы? Сколько было этих батарей — не перечесть. Тем не менее, Lamborghini получила патент на изобретение и намерена изучить вопрос производства перспективных аккумуляторов.

Судя по всему, от электрификации транспорта никто не собирается отказываться. В то же время ресурсы нашей планеты ограничены, и выпускаемые по современным технологиям аккумуляторы рано или поздно начнут испытывать дефицит по поставкам сырья. Кроме того, стратегическое для выпуска литиевых батарей сырьё добывается, преимущественно, в зонах социальной напряжённости в Африке. Прежде всего, это касается добычи кобальта, которая также уничтожает экологию вокруг шахт.

Использование кобальта и никеля в катодах литийсодержащих батарей позволяет поддерживать высокую ёмкость и плотность энергии в аккумуляторах. Многократные попытки заменить их другими материалами особыми успехами не увенчались. По крайней мере, дальше лабораторных проектов дело не пошло. Ещё сложнее оказалось заменить эти металлы органическими соединениями. Высокая способность органических веществ растворяться в электролитах сильно сузила выбор. Наконец, связующие органические вещества полимеры занимали дефицитное место в составе электродов батарей и тем снижали их ёмкость.

По утверждению команды MIT во главе с профессором Мирчем Динкэ (Mircea Dincă), учёным удалось подобрать для катодов литийсодержащих аккумуляторов как органический материал с высокой пропускной способностью по току и ёмкости, так и связывающий органику полимер, которого понадобилось совсем немного.

«Я думаю, что этот материал может оказать большое влияние, потому что он действительно хорошо работает, — сказал Мирча Динкэ. — Разработка уже конкурентоспособна по сравнению с существующими технологиями, и это может значительно снизить затраты, страдания и экологические проблемы, связанные с добычей металлов, которые в настоящее время идут в аккумуляторы».

Новый материал для катодов состоит из множества слоёв бис-тетраамин бензохинона (TAQ). По своей организации это вещество напоминает графит — популярный для изготовления электродов материал. Внутри кольцеобразных молекул этого вещества помещаются хиноны и амины. Хиноны накапливают электроны, а амины создают прочные водородные связи, что препятствует растворению вещества катодов в электролите.

Испытания этого материала показали, что его проводимость и ёмкость в составе аккумулятора сравнимы с проводимостью традиционных кобальтосодержащих аккумуляторов. Кроме того, аккумуляторы с TAQ-катодом могут заряжаться и разряжаться быстрее, чем существующие аккумуляторы, что может ускорить скорость зарядки электромобилей.

Редакция журнала MIT Technology Review Массачусетского технологического института составила список из 10 наиболее важных технологий, которые сильнее всего повлияют на жизнь и деятельность человечества в 2024 году. В этом им можно доверять. Учёные MIT сами погружены во многие прорывные научные процессы и если не возглавляют их, то идут в первых рядах.

Источник изображений: MIT Technology Review

На первое место в предсказании выведен искусственный интеллект для всего. Миллиарды людей уже познакомились с ChatGPT и другими большими языковыми моделями, а также с десятками специализированных нейросетей. Всего за год с небольшим они изменили мир, насытив информационное пространство умными помощниками для подсказок, составления текстов, рисования и создания видеоряда. Можно не сомневаться, что взрывной интерес к ИИ и продуктам на его основе, а также развитие этих продуктов, будет стремительно продолжаться весь 2024 год.

Вторую позицию по важности для всех нас специалисты MIT оставили за сверхэффективными солнечными фотоэлементами. Солнечная энергия уже прочно утвердилась на Земле и в некоторых регионах даже бросила вызов ископаемым источникам получения энергии, например, превысив долю в 50 % в энергетике Китая. Чего не хватает фотовольтаике — так это роста КПД. Сегодня массовые фотоячейки работают в районе 20 % КПД, а хотелось бы большего. В MIT считают, что в 2024 году фотоячейки с перовскитом начнут своё распространение и обеспечат повышение эффективности коммерческим солнечным панелям.

Третье место в списке потенциально прорывных вещей 2024 года специалисты отдали гарнитуре Apple Vision Pro. Поставки новинки ценой $3500 стартуют 2 февраля. Это не первая попытка вывести в люди гарнитуру смешанной реальности. Будет ли она встречена на ура или канет в небытие — скоро мы это узнаем. Обещаний дано много. Однако без широкой программной поддержки и массы полезных и ценных приложений гарнитура мало чего будет стоить, а по карману она будет далеко не каждому.

На здоровье широких масс населения обещают оказать решительное влияние разработки, поставленные на четвёртое место. Это препараты, спасающие от ожирения. Всемирная организация здравоохранения назвала глобальный рост ожирения эпидемией. Новые лекарства, такие как Mounjaro и Wegovy уже показали свою эффективность против этого «недуга». Более того, у них обнадёживающее побочное влияние — есть данные, что эти препараты могут даже защитить от сердечных приступов и инсультов. Несомненно, готовы появиться и другие подобные препараты, что поможет охватить больше людей и помочь им.

На пятом месте разместились новейшие технологии по использованию геотермальной энергии. Тепло недр Земли используется не первое десятилетие, но все задействованные методы и инструменты — это лишь первое касание возможностей. Очевидно, что более сложные методы бурения и прокладки труб помогут получать тепло и энергию даже там, где раньше это считалось невозможным.

Чиплеты тоже попали в список наиболее прорывных технологий нового года. Наши читатели наверняка знают о них не меньше специалистов MIT. На нашем сайте регулярно публикуются новости и материалы на тему сборки больших чипов и процессоров из нескольких кристаллов меньшего размера. Это позволяет относительно простыми средствами увеличить функциональность процессоров и продолжить работу закона Мура. В ближайшем будущем чиплеты — это единственный путь создавать всё более мощные и сложные решения.

Седьмая прорывная разработка — это создание «лекарства» на основе редактирования генов. В конце 2023 года подобное лекарство впервые было разрешено к использованию на людях в полном объёме. Прорыв совершила компания Vertex, получившая разрешение на использование своих «генетических ножниц» для лечения серповидно-клеточной анемии и трансфузионно-зависимой бета-талассемии. За этим шагом последуют другие, благо технология доказала свою работу и эффективность.

Продолжение масштабирования суперкомпьютеров тоже попало в список прорывных технологий. На самом деле это проблема. Современные системы потребляют настолько много энергии и так сложны в управлении, что дальнейшее масштабирование производительности — это довольно нетривиальная задача во всех смыслах. Но мы смогли! Суперкомпьютеры преодолели планку в один эксафлопс и устремились в будущее, в котором моделирование климата, ядерных реакций и многого другого будет проводиться быстрее и с меньшими затратами.

Тепловые насосы признаны девятой важнейшей технологией, которая поможет человечеству оставаться в комфорте и не загрязнять мир. Это почти кондиционеры, но работающие несколько по другому принципу. За счёт электрической энергии тепловые насосы могут обогревать помещения с минимальными затратами энергии даже в лютый мороз. Продажи тепловых насосов выросли по всему миру, а в США они впервые превзошли газовые печи. Интересно, что в Германии всякое новое жилище с прошлого года по закону должно отапливаться электрическим тепловым насосом. Сюрпризом стало повышение оплаты за такие услуги на 15 % с января 2024 года. Так что компромиссы ещё искать и искать.

Десятым важным фактором влияния на жизнь в 2024 году в MIT считают вероятное появление множества конкурентов у социальной сети X (бывшей Twitter). По мнению специалистов, купивший эту социальную сеть Илон Маск проявил себя деспотом и безответственным руководителем, что отпугнуло пользователей и рекламодателей. Поэтому центральное место этой сети в мире социальных сетей фактически разрушено и готово появиться множество её «убийц», например, в лице уже запущенных сетей Bluesky и Threads.

Инженеры Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) при Массачусетском технологическом институте (MIT) предложили технологию PhotoGuard, которая усложняет изменение изображений при помощи алгоритмов искусственного интеллекта.

Слева направо: исходное изображение, отредактированное изображение без защиты, отредактированное изображение с защитой «кодировщик», отредактированное изображения с «диффузионной» защитой. Источник изображения: MIT

Основанные на ИИ генераторы изображений Dall-E и Stable Diffusion — это лишь начало новой эпохи обработки графики. ИИ может не только генерировать новые картинки, но и с высоким качеством редактировать существующие, открывая простор для потенциальных злоупотреблений в виде дипфейков. Инженеры MIT CSAIL предложили технологию PhotoGuard, способную помочь защититься от подобных инцидентов.

Технология включает два метода атак на алгоритмы ИИ: «кодировщик» (encoder) и «диффузия» (diffusion). Первый метод добавляет скрытое представление защищаемого изображения — технология особым образом изменяет отдельные пиксели на картинке и не позволяет ИИ распознать содержимое картинки, а значит, блокирует для него возможность её отредактировать.

Второй, более продвинутый и ресурсоёмкий метод «диффузионной» атаки маскирует в «глазах» ИИ одно изображение под другое. В результате ИИ пытается изменить лишь ту картинку, которую он «видит», но не трогает исходную, в результате чего генерируемое им изображение выглядит нереалистично.

Инженеры из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) при Массачусетском технологическом институте (MIT) продемонстрировали платформу PIGINet (Plans, Images, Goal, Initial Facts — «планы, изображения, цели и исходные факты»), предназначенную для навигации и планирования задач домашних роботизированных систем.

Источник изображения: MIT CSAIL

Человеческое жилье представляется роботу довольно сложной средой — машины лучше ориентируются на складах и в производственных цехах с их более простой навигацией и строгой организацией пространства. А для успешного выполнения задач большинству роботов необходим план помещения. Ситуация осложняется тем, что жилища могут значительно отличаться друг от друга, а интерьеры в них ещё и динамичны — люди любят переставлять мебель и разбрасывать вещи. Самыми распространёнными бытовыми роботами являются пылесосы, но и они, отработав не одно десятилетие на рынке, продолжают совершенствоваться.

Подспорьем в решении проблемы обещает стать платформа PIGINet, в основе которой лежит универсальный кодировщик-трансформер, предназначенный для обработки последовательностей данных. «Входящей последовательностью в данном случае является информация о том, какой план задач рассматривается, изображения среды, символьные кодировки исходного состояния и желаемая цель. Кодировщик объединяет планы задач, изображения и текст, чтобы составить прогноз относительно выполнимости выбранного плана задач», — пояснили авторы проекта механизм работы модели.

В существующей версии система преимущественно ориентирована для работы на кухне. Она моделирует рабочую среду и создаёт планы объектов, включающие в себя стойки, шкафчики, холодильник, раковины и т. д. По словам разработчиков, в большинстве случаев система позволяет сократить время планирования задач на 80 %, а в более сложных случаях это 20–50 %. В перспективе, говорят создатели PIGINet, система при выявлении невыполнимых задач должна научиться предлагать альтернативные сценарии — это в корне изменит процесс обучения роботов и механизмы их использования в каждом доме.

У электрической авиации проблемы не только с аккумуляторами. Мощные и лёгкие электрические двигатели тоже остаются предметом мечтаний авиационных конструкторов. Свой вариант решения этой проблемы предложили инженеры из Массачусетского технологического института. Электродвигатель MIT обещает мощность 1 МВт при собственном весе около 58 кг. С таким решением электрическая авиация взлетит в прямом и в переносном смысле этого слова.

Источник изображения: Airbus

Согласно расчётам NASA, удельная мощность электрических двигателей для среднемагистральных самолётов и, в целом, для самолётов большой грузоподъёмности должна быть не ниже 13 кВт/кг. Представленный инженерами MIT двигатель обещает удельную мощность 17 кВт/кг, что существенно лучше рекомендаций NASA. К сожалению, в готовом собранном виде нового двигателя пока нет. Разработчики пока испытали лишь отдельные его компоненты.

Конструктивно новый двигатель — это как бы вывернутый наизнанку классический электрический двигатель. Его ротор находится не внутри статора, а окружает его. В основе ротора лежит барабан из титана, по внутренним стенкам которого закреплены постоянные магниты. Статор у нового двигателя — это стальной цилиндр с шипованной поверхностью. Он помещается внутрь ротора, а обмотка ложится на шипы особенным образом.

Токами в обмотке управляет сложная силовая электроника из 30 изготовленных на заказ «печатных плат». Синхронизированная с вращением барабана подача токов в обмотки позволит разгонять двигатель до рекордных оборотов. Подобная конструкция позволила избежать изготовления массивных ротора и статора и кратно облегчила вес двигателя.

Источник изображения: MIT

Также оригинально спроектирована система отвода тепла от статора. Статор закреплён на теплоотводе со множеством сквозных отверстий. С торца они выглядят как соты и лучше всего такой узел напечатать на 3D-принтере. Вращение ротора создаёт поток воздуха в объёме двигателя и выбрасывает его наружу. Представленный двигатель будет выделять на полной мощности 1 МВт около 50 кВт тепла. Утверждается, что предложенное решение сможет отводить от двигателя столько же тепла, как «от 500 100-Вт ламп накаливания в объёме небольшого пивного бочонка».

Если подобные электрические двигатели будут доступны авиационным конструкторам, то это изменит ландшафт авиации будущего. Полностью электрические самолёты могут получить совершенно иной дизайн. Например, вместо пары больших и мощных двигателей они смогут опираться в полёте на несколько небольших двигателей на передних кромках крыльев или даже на фюзеляже. Более того, это время может наступить гораздо раньше появления сверхъёмких аккумуляторов. В этом помогут гибридные системы с питанием от водородных или аммиачных ячеек. Для реализации этой истории не хватало электрического двигателя и теперь он очень близок к появлению.

Футбол является динамичной игрой, неплохо подходящей для тренировки роботов, да и соревнования между машинами получаются зрелищными, так что они проводятся с 1990-х годов, как, например, RoboCup. В подобных состязаниях обычно участвуют двуногие роботы, однако в Массачусетском технологическом институте (MIT) создали робособаку DribbleBot и научили играть в футбол.

Источник изображения: MIT CSAIL

DribbleBot создан с прицелом на использование в разных средах — он способен перемещаться по разным ландшафтам, сохраняя устойчивость на снегу, песке, в грязи и на траве. Благодаря этому, система получает возможность обучаться футболу с дополнительным уровнем сложности.

По словам исследователей из MIT, ранее разработчики упрощали проблему, рассматривая ведение мяча на ровной твёрдой поверхности. Кроме того, речь шла только о поочерёдных беге и манипуляциях с мячом. Благодаря последним технологическим достижениям, команда Improbable Artificial Intelligence Lab, входящая в состав занимающейся ИИ лаборатории Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), создала более сложную систему, позволяющую одновременно бежать и управлять мячом.

Робот действительно способен работать в траве, в песке, на гравии, в грязи и снегу. Залогом успешного обучения является многократное повторение циклов — там, где реальный робот выполняет один проход, его цифровой двойник в то же время параллельно совершает 4 тыс. в виртуальном пространстве. В конечном счёте речь идёт не только и не столько о применении четвероногого робота для игры в футбол. Учёные хотят научить роботов ходить где угодно.