Цифровой фитиль передаёт данные в спектре пламени
Скрещивание IT с физикой и химией дало интересный итог. Учёные передали кодированную цифровую данные необыкновенным методом: при помощи света, но без применения каких-либо электронных чипов а также источников питания. Красивое дополнение к будущим логическим схемам без электроники.
Маленькая полоса «бумаги», спичка – и вот уже броский бегущий огонёк сжигает пример. Происходит это скоро, так что тяжело подметить в пламени что-либо необыкновенное. В это же время сгоревший «реквизит» успел послать «в эфир» маленькой текст.
Результаты для того чтобы необыкновенного опыта изложила в PNAS несколько учёных во главе с Джорждем Уайтсайдесом (George Whitesides) из Гарварда, в неё входили кроме этого эксперты из университета Тафтса (Tufts University) и агентства по передовым оборонным изучениям Пентагона DARPA.
За последнее десятилетие за собственные изучения известный химик Уайтсайдес взял пять премий и различных наград (фото Jon Chase/Harvard News Office).
Секрет передачи информации, само собой разумеется, содержится в самой полосе, которую исследователи именовали инфофитиль (infofuse). Придумал его Сэмюэль Томас (Samuel Thomas III), трудясь над проектом в лаборатории Уайтсайдеса (Whitesides Research Group).
В базе фитиля — ярко сгорающая полоса из нитроцеллюлозы (температура пламени – тысяча градусов Цельсия). На ней расположены невидимые глазу маленькие участки, покрытые солями разных металлов высокой чистоты.
По мере сгорания активируются химические реакции с участием их ионов, и полоса испускает свет с разными длинами волн в зависимости от состава того либо иного участка.
Кроме того несложным глазом видно, что инфофитиль сгорает, последовательно выдавая различные цвета. Но узкие вариации спектра, как и стремительные его перемены, несущие закодированную данные, возможно уловить лишь устройствами.
Толщина бумажки варьировалась (от 100 микрометров и выше), да и протяженность также была разной – от 10 до 20 сантиметров (фото с сайта scienceblogs.com).
Особая схема шифрования разрешила экспериментаторам закодировать в пламени целый алфавит, все цифры и пара знаков препинания, чего было достаточно для составления посланий.
Принцип шифрования таков: на любой знак приходятся два так называемых импульса. В каждом из них – три соседствующих участка, воображающих три металла (это были литий, цезий и рубидий, но возможно использовать другие тройки).
Соль металла возможно нанести на этот участок, либо вместо неё возможно покинут пробел.
Соответственно, вспышка на фиксированной частоте излучения свидетельствует двоичную единицу, пауза – ноль. Всех вероятных комбинаций, другими словами бинарных шестиразрядных чисел, даже больше чем нужно, дабы закодировать всё что требуется.
Всего совокупность из трёх металлов разрешила закодировать 40 знаков. Чтобы машина имела возможность на лету расшифровывать код с минимум неточностей, комбинациям частот, каковые легче всего было дать добро при анализе спектра, поручили обозначать распространённые буквы (E, T и A), а сочетания, каковые легче всего было спутать между собой, – редкие (Q, Z и X) (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).
Скорость сгорания инфофитиля составила приблизительно 3-4 сантиметра в секунду. «Приблизительно», потому, что авторы опыта сделали пара образцов этих полос, различающихся размерами. Ширина закодированных участков была такова, что вспышки следовали с частотой от 5 до 20 герц.
Дабы их расшифровать, новаторы применили комплект из фильтров, линз, фотодетекторов и дихроичных зеркал, подключённых к компьютеру. Параллельно сгорание полос снималось на скоростную (1000 кадров в секунду) цветную камеру.
Закодировав таким методом последовательность букв, учёные передали при помощи одного из собственных фитилей фразу «Наблюдай мама, без электричества» (Look Mom, No Electricity), на что ушло менее 4 секунд горения фитиля.
В принципе, эта разработка способна передавать и куда более ёмкие послания, кроме того без повышения длины инфофитиля. Использование чувствительных спектрографов либо более сложной совокупности фильтров и зеркал приведёт к расширению перечня используемых в один момент металлов, соответственно – окажет помощь усложнить код.
Лишь представьте, что разрешение таковой «съёмки» разрешит надёжно идентифицировать излучение от меди, бария, натрия, лития, стронция, кальция, калия, цезия и рубидия… Да и частоту вспышек возможно расширить.
Упрощённый принцип работы инфофитиля (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).
Авторы совокупности именуют данную область науки инфохимией. «Клетки общаются посредством химических сигналов, и мы заинтересованы в сокращении разрыва между для того чтобы рода химическими цифровой связью и системами связи, на которой основана отечественная техническая инфраструктура», — поясняет Томас важность разработки. А Уайтсайдес додаёт: «Опыт говорит о возможности прямого двоичного передачи и химического кодирования нужной информации, причём без батареи».
Исследователи сохраняют надежду, что их прототип окажет помощь выстроить совокупности, пересылающие данные в тяжёлых условиях, в которых батареи и электроника не трудятся. А на таковой базе возможно создавать необыкновенные датчики внешней среды и другие устройства.
Но что будет от них толку, если не окажется распознать зашифрованное послание на громадном расстоянии?
В данных опытах расстояние между полосой вспыхивающего полимера и детекторами по большей части составляла несколько метров, но учёные показали, что смогут надёжно идентифицировать собственные послания с расстояния в 30 метров кроме того при ярком дневном свете. Да и 300 метров – вероятны, утверждают экспериментаторы. Наряду с этим масса солей в «пятнышках» составляла по 200 пикограммов (полосы наносились как микропипеткой, так и струйным принтером).
Обстоятельство таковой устойчивости передачи – отличное отношение сигнал/шум, другими словами чёткое отличие на спектре пиков, происходящих от самой нитроцеллюлозы и от «кодирующих» цифры и буквы металлов.
Спектр излучения от полос с разными солями. Пунктиром отмечены пики от самой нитроцеллюлозы.
Шкала – длины волн в нанометрах (иллюстрация Samuel W. Thomas III, et al./PNAS).
А ведь неиспользованными остаются ещё дополнительные «измерения» кодирования, радуются исследователи: при помощи вариации массы солей и ширины полосок в каждой из них, другими словами яркости узкочастотной вспышки (наложенной на простое пламя от полосы) и её длительности.
По словам Томаса, несколько трудится над удлинением инфофитилей и вкладыванием в них более сложных посланий, каковые к тому же возможно будет расшифровывать с большей дистанции.
К примеру, «цифровыми» смогут стать сигнальные ракеты, запускаемые в небо на протяжении бедствия. Вместо несложного обозначения места крушения последовательность вспышек может нести сведения о корабле (лодке, человеке), отправившем сигнал. Эти сведенья имел возможность бы прочесть несложный прибор на самолёте спасателей.
А ведь без применения электроники ещё возможно выстраивать и не через чур сложные логические схемы, надеясь только на «умные» цепочки химических либо кроме того химических реакций.
В мыслях соединим такие схемы с цифровыми фитилями. Окажется аппаратура, талантливая собирать данные из внешней среды и передавать результаты анализа на громадное расстояние. Без микросхем. Без радиопередатчиков.
Без батареек. Заманчиво?
