Сменить фон сайта
Новое - из глубины
Сайт Центра и Исследовательской Творческой Группы (ИТГ) «Солярис»
  (Облегчённая версия)
Страница загружена 09 Июля 2020 года (четверг) 21:30:45 
.
АКТУАЛЬНАЯ МЫСЛЬ: «Шахматы - это не развлечение, а сложная система со своими Законами»
.
Вход/регистрация
Войти

Регистрируясь на сайте,
Вы соглашаетесь
c Правилами участия в деятельности сайта Соляриса


Что даст вам регистрация на сайте?

  • Быстрый просмотр всех новых событий на сайте
  • Участие в дискуссиях на форуме Соляриса
  • Возможность добавлять материалы
  • Отправка сообщений другим пользователям
  • Вход на все сайты системы Ucoz без регистрации
  • И многое другое...

Зарегистрироваться!


Главное меню



Активность на сайте

Новое на сайте
 


Поиск по сайту

Наш опрос
Как вы относитесь к науке?
Всего ответов: 44

Важные даты
12 Апреля 2015Поздравляем с праздник... (2)
28 Сентября 2014112 лет со дня рождени... (0)
30 Августа 2014129 лет со дня полёта ... (0)




Общероссийский рейтинг школьных сайтов


.
Новостной материал

Категория: Новости техники
Опубликовал: Сатурн1 · Дата и время публикации: 06 Сентября 2016 года (четверг) 18:22:49
Просмотров: 642 · Комментариев: 3
Рейтинг по пятибалльной шкале: 5.0 (количество проголосовавших: 2)

Химики научат гель узнавать цифры


(Картинка с сайта: https://nplus1.ru/images/2016/09/06/42714bfa8a6dab615d0aa96e8ba07d09.gif)

Химики из Университета Питтсбурга разработали метод распознавания изображений с помощью колебаний кусочков гелей. Он не требует использования компьютера или источников электроэнергии. Метод основан на нейросети, построенной на обратной связи в колебательной химической реакции, известной как реакция Белоусова - Жаботинского.

В теоретическом описании работы авторы рассказали, как должна быть устроена распознающая система, и описали, какие материалы должны быть в ней использованы. Продемонстрировать работоспособность метода удалось на компьютерных моделях с изображениями цифр от нуля до девяти. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщают пресс-релиз университета и портал Geektimes

Колебательные процессы, которые лежат в основе нового метода, основаны на реакции Белоусова - Жаботинского. Это один из редких примеров, когда химическая реакция ведет себя подобно маятнику: концентрация одного из реагентов меняется по синусоиде до тех пор, пока реакция не прекратится. В классическом варианте этого эксперимента химики смешивают органическое вещество, окисляемое в реакции (обычно лимонную или малоновую кислоту), окислитель (бромат калия) и ускоряющий эти процессы катализатор (соль трехвалентного церия). В результате последовательности из нескольких десятков химических реакций в каждый цикл происходит окисление катализатора, замедление реакции и восстановление катализатора. Поскольку окисленная форма церия (Ce4+) окрашена, можно заметить колебания окраски в ходе реакции. Иногда для наглядности к смеси добавляют специальные окрашенные индикаторы.


Колебательная реакция
Jkrieger / Wikimedia Commons

 
Из-за своего необычного поведения реакция привлекает внимание химиков, и за 65 лет с момента открытия вышло большое количество статей, посвященных её изучению. Так, химики выяснили, что в некоторых условиях можно конвертировать энергию химической реакции в механические колебания. Для этого необходимо модифицировать катализатор реакции (химические превращения которого и являются колебательным процессом). Учёные заменили церий на рутений и встроили его в полимерный гель, который затем погрузили в раствор реагентов. Окисление рутения изменяло гидрофильные, а впоследствии и механические свойства геля - материал менял форму, восстановление возвращало эти свойства в исходное состояние. 

Колебания формы и размеров геля влияют на локальную концентрацию катализатора - так, сжатие геля должно её повышать, тем самым ускоряя реакцию в момент сжатия. Это в свою очередь должно сказаться на частоте колебаний геля, вызванных химическими превращениями. В 2012 году химики из университета Питтсбурга и MIT показали, что внешним давлением можно даже инициировать реакцию Белоусова - Жаботинского в среде с небольшим количеством реагентов, а ранее, в 2009 году, на основе этого эффекта учёные создали «шагающий гель». Подобная обратная связь делает «гель Белоусова - Жаботинского» контролируемой, но очень сложной системой. 


Передвижение гусеницы землемера (или пяденицы). Внизу – один из образцов шагающего геля
wikipedia.org, redorbit.com и chemical.ninja-x.jp

Авторы новой работы обратили внимание на концепцию создания нейронных сетей с помощью осциллирующих (колеблющихся) систем. Каждый элемент нейронной сети определенным образом взаимодействует с соседями - выстроив эти связи определённым образом, можно научить сеть преобразовывать входящую в нее информацию, например, распознавать образы. Химики предложили использовать в роли «нейронов» небольшие кусочки геля с рутениевым катализатором. 

Роль связей между нейронами досталась миллиметровым пьезоэлектрическим пластинкам. При изгибе, вызванном изменением формы геля, эти пластинки генерируют разность потенциалов. Вместе с тем, если приложить к пластинкам напряжение, они сами изогнутся, деформировав гель. Если объединить два кусочка геля с двумя пластинками в единую электрическую цепь, то колебания первого гелевого «нейрона» будут влиять на колебания второго через напряжение, создаваемое пьезоэлектриком в цепи, - оно будет влиять на поведение второй пьезоэлектрической пластинки. В результате, со временем колебания нейронов окажутся синхронизированными.


Схема связи между парой гелевых «нейронов»
Yan Fang et al. / Science Advances, 2016
 

Для создания нейросети из 60 «нейронов» авторы предложили соединить последовательно все пьезоэлектрические пластинки. Связь между соседними нейронами определялась тем, в каком порядке подключены условные «плюс» и «минус» пластинок (авторы предлагают применять пластинки из двух разных, скрепленных между собой пьезоэлектриков). Если порядок соединения был «плюс-минус-плюс-минус», то фрагменты геля стремились колебаться синхронно, а если «плюс-минус-минус-плюс», то в противофазе. С помощью таких связей авторы предложили кодировать в сети изображения цифр


Схема записи изображения цифры «ноль» в нейросеть. Белым и черным обозначены разности фаз колебаний «нейронов», им соответствуют разные последовательности соединения пьезоэлектрических пластин
Yan Fang et al. / Science Advances, 2016


Эксперимент по распознаванию авторы смоделировали теоретически. Он устроен следующим образом. В первый момент времени 60 «нейронов» погружают в раствор с реагентами (окислителем и восстановителем) и с помощью внешнего воздействия (светового, термического или механического) задают каждому из них начальную фазу колебания. Затем включается обратная связь между «нейронами», которая пытается преобразовать колебания кусочков геля в заложенные в нейросети. Ключевым для распознавания параметром является время полного преобразования колебаний.


Процесс распознавания цифр
Yan Fang et al. / Science Advances, 2016


Из-за некоторых ограничений (связь в сети может иметь значения только «+1» и «–1») каждая нейросеть пыталась распознать в предлагаемых ей данных только одну конкретную цифру. Поэтому для распознавания одного и того же искаженного изображения единицы потребуется провести эксперимент с десятью нейросетями («0»-«9»). Итогом распознавания будет число, соответствующее той сети «нейронов», которая справилась с полным преобразованием колебаний первой. В качестве параметра степени сходства (DoM) выступает время преобразования. 


Точность узнавания цифр (1, 3, 5 и 7) моделью нейросети, в зависимости от количества «перевёрнутых» пикселей в изображении
Yan Fang et al. / Science Advances, 2016
 
 

Время (относительно второго лучшего результата) узнавания цифр (1, 3, 5 и 7) нейросетью, в зависимости от количества «перевёрнутых» пикселей
Yan Fang et al. / Science Advances, 2016


Авторы отмечают, что предложенная система полностью автономна от внешних источников энергии - для ее работы требуются лишь реагенты реакции Белоусова - Жаботинского. Химическая энергия трансформируется и в механические колебания и в электрический ток, управляющий синхронностью системы. Благодаря этому подобные нейронные сети могут найти применение в мягких сенсорных тканях роботов или других устройств. Главным минусом нейросети на «геле Белоусова - Жаботинского» будет её медлительность - в модели распознавание происходит примерно за минуту.

Для создания смоделированной нейронной сети существуют все необходимые технологии. К примеру, уже были описаны устройства, сочетающие в себе полимерные материалы и пьезоэлектрические актуаторы

Реакция Белоусова - Жаботинского имеет несколько аналогов. Самым удобным из них, с точки зрения эксперимента, является эксперимент с «йодными часами», реакцией Бриггса - Раушера. Вместо бромата калия в ней используется подкисленная перекись водорода и йодноватая кислота, вместо церия - соли марганца (II), а в качестве красящего вещества - крахмал, образующий комплекс с йодом.

Источники: https://nplus1.ru/news/2016/09/06/BZ-PZ


Комментарии
 
1 Sol   (09 Сентября 2016 15:12:14) [Материал]
Интересно с бионической точки зрения, но пока всё слишком медлительно.

0
2 Сатурн1   (09 Сентября 2016 21:12:16) [Материал]
Интересно, если это перейдет на микро-нано-уровень, то можно будет ли говорить о полноценном эквиваленте нервной системы?

3 Sol   (09 Сентября 2016 21:31:05) [Материал]
Возможно, на этом уровне будет более эффективен электромагнетизм с квантовым оттенком, а не химия-механика?

Имя *:
Email:
Все смайлы
Код *:

Все права принадлежат Исследовательской Творческой Группе «Солярис» © 2003-2020 гг. н.э.
Сайт создан в системе uCoz Сайт создан в системе uCoz-->