Obrisi prihodnosti, tehnologije, ki prihajajo

Objavljeno: 25.8.2020 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Nove tehnologije | Revija: September 2020

Brezžični internet, ki uporablja svetlobo namesto radijskih valov, naglavni senzorji za branje možganskih valov, očala s spremenljivo goriščno razdaljo in čipi, ki se samo sestavljajo, so le nekateri primeri tehnoloških izdelkov, ki niso iz znanstvenofantastičnih filmov. Pred časom so jih predstavili (zagonska) podjetja, univerze ali inštituti z delujočimi prototipi. Nestrpno čakamo, katerim bo uspelo zlesti na prodajne police.

Videti od blizu

Oko je eden izmed organov, ki resnično niso prilagojeni dolgemu življenju, ki ga živimo dandanes. Starost prinaša poškodbe vidnega živca in motnjenje leče, poleg tega izgubljamo možnost ostrenja slike na bližnje predmete. Podobno kot sposobnost zaznavanja visokih frekvenc zvoka upada s staranjem, se tudi najbližja razdalja, na kateri smo še sposobno izostriti sliko, z leti povečuje. Vzrok sta slabenje mišic, ki napenjajo lečo, in izguba prožnosti leče. Ne gre za bolezen, ki prizadene zgolj nekatere ljudi: vsi z leti izgubljamo sposobnost ostrenja na blizu, le da nekateri bolj kot drugi. Končni rezultat daljnovidnosti so očala za branje, ki bi jih po nekaterih raziskavah po 50. letu morali imeti skorajda vsi.

Težava s katerimikoli očali je fiksna goriščna razdalja. Če je celotno stekelce enako, so potem to očala za branje, ki jih moramo pogosto snemati, ker pri gledanju na meter ali dlje slika ni več ostra. V življenju pač gledamo na blizu in daleč. Druga možnost so očala, ki imajo dvoje območij z jasnim rezom ali z mehko spreminjajočo se goriščno razdaljo. V vsakem primeru žrtvujemo del vidnega polja, saj na spodnjem delu lahko beremo, na zgornjem pa gledamo na daleč. Tretja možnost so očala, ki imajo za vsako oko različno goriščno razdaljo, tako da potem sliko skupaj zložijo možgani. V tem primeru žrtvujemo globinski vid. Kaj pa, če bi imeli očala, ki lahko prilagajajo goriščno razdaljo glede na to, kam gledamo?

To ni znanstvena fantastika, saj obstajajo različni načini za spreminjanje goriščne razdalje. Gre celo za v celoti mehanično lečo (Alvarezova leča), ki jo je ameriški fizik Luis Walter Alvarez patentiral že davnega leta 1964. Sestavljata jo sferična elementa, ki horizontalno drsita drug ob drugem, s čimer spreminjata goriščno razdaljo. Druge možnosti so tekočinske leče ali leče iz tekočih kristalov, kjer je mogoče z deformacijo oziroma električnim polje spreminjati goriščno razdaljo. Raziskovalci Nitish Padmanaban, Robert Konrad in Gordon Wetzstein s Stanforda so junija lani predstavili delujoč koncept očal s takšnimi lečami, ki sliko izostrijo ne glede na to, kam (kako daleč) gledamo.

Različne vrste leč lahko spreminjajo goriščno razdaljo. Slika: Nitish Padmanaban, Autofocusing reading glasses of the future, TED Talk

Uporabili so tekočinske leče (Optotune EL-30-45), ki jim lahko spreminjamo goriščno razdaljo. To ni težaven del. Treba je ugotoviti, kolikšna naj bo goriščna razdalja v vsakem trenutku. Po domače povedano, moramo vedeti, kam oseba gleda in kako daleč je predmet. Uporabili so tehniko sledenja očem (eye tracker), s katero lahko to natančno ugotovijo. Druga tehnika, ki da podoben rezultat, je kamera za zaznavanje razdalje (depth camera). S kombinacijo informacij teh dveh metod so izračunali razdaljo do opazovanega predmeta, potem pa ustrezno izostrili leče (upoštevali so tudi siceršnjo dioptrijo).

Celoten sistem je še vedno nepraktičen za normalno uporabo, saj so »očala« v resnici bolj podobna čeladi, ki mora biti nepremično pričvrščena na glavo. A v prihodnosti načrtujejo komercializacijo. Junija 2019 so objavili članek v Science Advances, kmalu je sledila predstavitvena objava na spletnih straneh univerze. Januarja letos je Padmanaban prototip, ki je še vedno nepraktičen za vsakodnevno uporabo, predstavil na predavanju TED. Padmanaban je od junija letos zaposlen v zagonskem podjetju Zinn Labs, ki ga je ustanovil z Gordonom Wetzsteinom, Robertom Konradom in s Kevinom Boylom, vsi raziskovalci s Stanforda. Zinn Labs se ukvarja s fino nastavljivo optiko, sledenjem očem, z ocenjevanjem razdalje pri vidu itd. Podjetje je še mlado, zato seveda izdelka še nima.

Prototip očal, ki sama izostrijo, kamor človek gleda. Slika: Padmanaban et al., Sci. Adv. 2019; 5: eaav6187.

Podvodni brezžični internet

Na kopnem je brezžična povezava z internetom zadovoljivo rešen problem, ki na manjših razdaljah (v stavbah) uporablja radijske valove brezžičnih omrežij Wi-Fi. Pod vodo je svet drugačen, dielektrična konstanta in prevodnost morske vode pa poskrbita, da razen ekstremno dolgih valovnih dolžin radijski valovi ne potujejo več kot nekaj centimetrov. Pod vodo imamo tako za prenos informacij na voljo tri načine: akustičnega (zvok prepotuje izjemno dolge razdalje), radijskega (ekstremno velike valovne dolžine, kar pomeni hitrost nekaj bitov na sekundo, ali izjemno kratke razdalje krajših valov za normalne hitrosti prenosa) in svetlobnega (usmerjenost, zato potrebuje vidno linijo).

Pustimo vnemar vprašanje, zakaj bi v morju ali bazenih potrebovali brezžično internetno povezavo, in poglejmo, kako so junija letos ta problem rešili raziskovalci z univerze KAUST v Savdski Arabiji. Pod vodstvom Mohameda Slim Alouinija je skupina devetih raziskovalcev prikazala Aqua-Fi, ki deluje z laserji ali s svetlečimi diodami (LED). Prvi omogočajo večji domet, druge so bistveno varčnejše.

Konkretno so reševali problem potapljačev, ki bi želeli komunicirati s površjem, denimo pošiljati fotografije. Da lahko to počno, trenutno potrebujejo kabelsko povezavo, kar ni vedno praktično ali sploh izvedljivo. Za Aqua-Fi so uporabili zeleno svetlobo (valovna dolžina 520 nm), ki so jo na razdalji oddajale LED, za dlje pa so potrebovali laserje. Podatke jim je uspelo prenesti s hitrostjo do 2 megabita na sekundo.

V praksi ima potapljač vodoodporen telefon, ki uporablja normalen radijski Wi-Fi. Nekaj centimetrov ali decimetrov namreč signal vseeno prodre, kar je ravno dovolj, da se poveže s sprejemnikom Aqua-Fi, ki ga ima na hrbtu (oziroma na jeklenki). Ta potem komunicira z drugim sprejemnikom, ki je tik pod površjem in ima nadaljnjo povezavo z zemeljskim delom interneta. Prvi avtor članka v IEEE Communications Magazine, kjer so novost predstavili maja 2020, Basem Shihada, poudarja, da je do komercializacije še dolga pot, ki je niso še niti začeli.

Z laserji ali LED bi lahko pod vodo vzpostavili brezžični internet na daljše razdalje. Slika: Shihada et al. IEEE Comm. Magazine, 2020; 58(5), 84–89.

Na zelo podoben način seveda lahko internet zagotavljamo tudi v zaprtih prostorih. Eno prvih predavanj je imel Harald Haas z univerze v Edinburgu na TED že leta 2011, štiri leta pozneje pa je predstavljal uporabo sončnih celic kot senzorjev za Li-Fi. Zamisel je še vedno konceptualno enaka: če dovolj hitro moduliramo svetlobo, ki jo oddajajo svetila (za ta namen so primerne svetleče diode), lahko s tem prenašamo informacije. Tako se izognemo zasedanju dragocenega in omejenega radijskega dela elektromagnetnega spektra, dosežemo vvelike hitrost in preprečimo uhajanje signalov skozi zidove v druge prostore.

Danes je Haas tudi soustanovitelj in strokovni direktor podjetja pureLiFi, ki se ukvarja z razvojem in s trženjem te tehnologije. Prvi izdelek je bil Li-1st leta 2013. S priključkom ethernet (RJ45) smo ga povezali z omrežjem, nato pa je omogočal prenos podatkov (torej podaljšavo omrežja) s svetlobo do drugega dela naprave, ki je bila z računalnikom povezana prek USB. Li-Flame je leta 2015 omogočil nadgradnjo stropnih svetil LED v dostopne točke, s čimer je pokril celoten prostor. Na drugi strani je sprejemna enota, ki se spet prek USB poveže z napravo. Povezava v obratno smer (uplink) je izvedena z infrardečo povezavo. Sledila sta LiFi-X leta 2016, ki je že omogočil hitrosti do 42 Mb/s v obe smeri, in njegova nadgradnja LiFi-XC leta 2017. Sodelujejo tudi z drugimi proizvajalci, in sicer pripravljajo tehnologijo, da lahko ti v svoje izdelke vgradijo podporo za Li-Fi. Li-Fi se še ni zares razširil in nove implementacije komunikacije po radijskem delu spektra (IoT bo uporabljal 5G) postavljajo širšo prihodnost Li-Fi pod vprašanje. Kot nišna tehnologija pa bo gotovo »preživel«. Svet je velik in obstajajo celo območja, kjer je uporaba mikrovalovnih pečic, Wi-Fi in celo bencinskih motorjev (zaradi svečk) zaradi elektromagnetne interference prepovedana, denimo v okolici radioteleskopov. In tam bi bil Li-Fi zlata vreden.

Li-1st je bil prvi komercialni izdelek zagonskega podjetja pureLifi, ki je omogočal uporabo svetlobe za domači prenos podatkov po zraku.

Gledanje za ovinek

Svetloba se od vseh predmetov odbija, le da se zelo redko usmerjeno. Tedaj dobimo ogledala (in podobne ravne površine), sicer pa iz odbite svetlobe ne moremo razločiti kadra. Femtosekundna fotografija omogoča fotografiranje do 70 bilijonov posnetkov na sekundo, kar je že dovolj, da lahko gledamo potovanje posameznih pulzov svetlobe.

Tehnologijo, ki so jo začeli razvijati v 70. letih na švedski univerzi KTH, je leta 2012 nadgradila skupina Ramesha Raskarja na MIT, trenutni rekord pa drži Caltech s 70 bilijoni sličic na sekundo. S tako časovno ločljivostjo si lahko privoščijo, da pošiljajo posamezne svetlobne impulze v predmete in opazujejo, kako se svetlobni valovi lomijo, uklanjajo in odbijajo. Že leta 2012 so pokazali delujoč prototip, s katerim je mogoče gledati za ovinek. V sobo so za steno postavili lutko, potem pa so znova in znova s pulzi osvetljevali odprta vrata. Z njih se seveda fotoni odbijejo v vse smeri, nekaj tudi v lutko za steno. Od nje se spet odbijejo fotoni, ki jih nekaj spet zadene vrata, in od tam nazaj v kamero zunaj sobe. Delež je zelo majhen, a ker fotografiranje ponavljajo in ponavljajo, hkrati pa jim visoka časovna ločljivost omogoča ugotoviti, natančno kolikšno razdaljo je prepotovala svetloba (v eni desetbilijoninki sekunde svetloba prepotuje 0,03 milimetra), lahko iz gigabajtov dobljenih surovih podatkov izračunajo fotografijo za steno. Medtem ko je pri klasični fotografiji hitrost svetlobe praktično neskončna, pri femtosekundni fotografiji ni, temveč gre za dinamični sistem, kar daje dodatne informacije. Sodi v širšo skupino time-of-flight camera, kar ima Kinect ali vsi sistemi LIDAR, kjer kamera pozna tudi razdalje do predmet. To ponuja številne možnosti, denimo pametnejša avtonomna vozila, zdravniške preiskave telesa brez operacij itd. Članek je bil leta 2012 objavljen v Nature Communications. Za dosežek (CORNAR) so leta 2012 prejeli nagrado PopMech Breakthrough Award, a je do danes še niso komercializirali.

Sistem CORNAR omogoča gledanje za ovinek s femtosekundno fotografijo, kjer spremljamo samo gibanje svetlobe in njene odboje, ne le statičnih posnetkov. Slika: Ramesh Raskar

To pa še ne pomeni, da je obstala nekje v predalu. David Lindell, ki na Stanfordu pri že omenjenem Gordonu Wetzsteinu opravlja doktorat, je lani predaval o praktično enaki tehnologiji. Femtosekundna fotografija omogoča gledanje za ovinke v več laboratorijih po svetu, zdaj pa je čas, da to prenesejo v resnični svet.

Krmiljenje z mislimi

Napak bi menili, da je branje možganov omejeno na filme, saj v resnici tehnologijo poznamo in redno uporabljamo že desetletja. Elektroencefalografijo (EEG) je prvi uporabil že leta 1924 nemški zdravnik Hans Berger in je danes v redni klinični rabi. Merjenje možganskih valov pa zahteva elektrode, ki jih pričvrstimo na glavo po ustrezni pripravi (odstraniti je treba mrtve celice kože) in s prevodnim gelom. Merimo napetostno razliko med vsako izmed 19 aktivnih elektrod in referenčno elektrodo. Rezultat, ki ga ojačimo za nekaj (deset)tisočkrat, potem preračunamo v valove.

Za preiskave možganov se lahko uporabljajo tudi nekatere druge tehnike, denimo fMRI, kjer pa potrebujemo ogromne in drage naprave, zato je merjenje elektropotenciala še vedno najenostavnejše. In tako lahko to metodo uporabimo tudi za nekaj znanstvenofantastičnih podvigov. Sicer ni mogoče ugotoviti, o čem razmišljamo, je pa moč z mislimi krmiliti predmete in izvajati preproste operacije.

Eden izmed primerov je podjetje Emotiv Systems, ki so ga Tan Le, Nam Do, Allan Snyder in Neil Weste v Avstraliji ustanovili že leta 2003. Šest let pozneje so izdali prvi prenosni EEG, leta 2010 pa je Tan Le ustanovila Emotiv še v ZDA. Tedaj je na predavanju TED predstavila delujoč prototip, ki si ga nadenemo na glavo, ob tem ne zahteva gela ali drugih predpriprav, in ga že v nekaj minutah naučimo, kakšne možgane imamo, potem pa omogoča, da z mislimi krmilimo predmete. Če si predstavljamo, da se zavrtijo v levo – se na zaslonu kocka res zavri v levo.

Prototip je bil velik uspeh. Kako zelo si javnost želi takšne tehnologije, kaže kampanja za prenosni 5-kanalni sistem na Kickstarterju, kjer so leta 2014 cilj 100.000 dolarjev presegli za 16-krat! Leta 2015 so resnično izdali naglavni komplet Emotiv Insight (prenosni EEG), ki se s telefonom poveže prek bluetootha. Kupimo ga lahko še danes, stane pa dosegljivih 300 dolarjev. Poleg krmiljenja z mislimi nudi merjenje različnih parametrov, izrazov na obrazu in gibov. Z drugimi aplikacijami ga povezujemo prek SDK, ki so ga napisali, ali pripadajoče programske opreme. To je torej izdelek, ki je že prehodil celotno pot – od raziskovalnih laboratorijev do trgovskih polic.

Emotiv je izdelal naglavni komplet, ki meri tudi možganske valove in med drugim omogoča primitivno upravljanje misli. Slika: Emotiv

Mikroroboti

Seveda noben pregled trenutnih in bodočih tehnologij ne bi bil popoln brez vojske (mikro)robotov. Natanko to sta Paul McEuen z univerze Cornell in njegov nekdanji postdoktorand, zdaj pa profesor na univerzi v Pensilvaniji Marc Miskin predstavila novembra lani. McEuen se ukvarja z nanostrukturami.

Ena izmed bolj futurističnih možnosti so mikroroboti, ki v resnici sploh niso v neki oddaljeni prihodnosti. Tehnologijo namreč že imamo. Proizvajalci čipov so sposobni manipulirati z elektronskimi in optičnimi elementi na ravni nanometrov. McEuen in Miskin sta dejansko izdelala majhne elektronske naprave z imenom OWIC (optically wireless integrated circuit), ki merijo vsega nekaj deset mikrometrov ter lahko delujejo kot termometri, voltmetri, svetleče diode itd. OWIC so premajhni, da bi jih videli s prostim očesom, izdelava pa je izjemno poceni in stane manj kot cent. Na 10 centimetrov veliki rezini iz silicija jih lahko izdelajo milijon. V svojem drobovju imajo majceno elektronsko vezje, ki ga napajajo miniaturne sončne celice – dovolj je le posvetiti nanje.

Da bi bila skupina robotov res robotska vojna, se morajo še premikati. Izkaže se, da tako majhnih predmetov ni težko premikati. Ključ so trakovi iz platine, ki merijo vsega nekaj deset atomov v debelino. Če v vodni raztopini take trakove izpostavimo električnemu polju, bodo pritegnili nekaj atomov, kar ustvari silo, zato začnejo opletati. To se lahko izkoristi kot način za premikanje.

Ko povežemo take platinaste »noge« in silicijeve »možgane«, dobimo 100 mikrometrov velike robote, ki jih lahko krmilimo z usmerjanjem laserja na točno določene dele. Kaj bo počel takšen robot in kako se bo premikal, je le še vprašanje domišljije. Uporabili bi jih lahko za pametne oznake (smart tag), kot senzorje za različne naprave interneta stvari in celo za preoblikovanje žive narave. Veliki so namreč približno toliko kot paramecij. Posamezen mikrorobot ne more postoriti kaj veliko, a ko jih imamo več deset tisoč ali celo milijon, se to spremeni. Ti mikroroboti so še na začetku cikla in niso niti zapustili laboratorijev. Preden se bo to zgodilo, pa bo treba poleg tehnoloških rešiti tudi kakšne etične izzive.

Mikrorobot, ki se lahko premika in opravlja enostavno funkcijo. Slika: Paul McEuen in Marc Miskin, Tiny robots with giant potential, TED Talk

Samosestavljivi čipi

Na koncu se ustavimo še vprašanju, zakaj bi stvari načrtovali, izdelovali in sestavljali sami. Mikroprocesor je verjetno najbolj kompleksna stvar, ki jo je človek kdaj izdelal. S svojo nanometrsko ločljivostjo že trkamo na meje trenutnih tehnologij. Še vedno se namreč čipe izdeluje enako – konceptualno – kot pred 30 leti. Vzorec, ki ga mora imeti silicijeva rezina, izdelamo kot povečano matrico, potem pa skoznjo posvetimo s svetlobo na fotoobčutljivo površino, kjer ustrezno izjedkamo enak vzorec. Čeprav je v vzorcu na čipu veliko ponavljanja, nam to nič ne pomaga. Celotna rezina mora biti izjemno čista, jedkanje natančno, svetloba monokromatska in usmerjena itd.

Narava stvari ne gradi na tak način, zato bi jo veljalo posnemati, razmišlja Karl Skjonnemand iz Mercka. Ni torej presenetljivo, da kaže kemijski pristop, ki bi lahko rešil inženirski problem. Narava gradi tako, da se manjši koščki sestavljajo sami – od lipidnega dvosloja okrog celic do DNK. Ključ je v izbiri primernih materialov, ki se sami sestavijo. Tak primer so blok kopolimeri, ki jih sestavljajo daljše ponovitve ene monomerne enote in potem druge. Če uporabimo enoti, ki se med seboj odbijata, se bodo raztopine takih kopolimerov preferenčno uredile. Odvisno od vrste in dolžine posameznih blokov, torej razmerja med monomeroma A in B, se ustvarijo različne strukture: pasovi, spirale, satovje itd. To lahko izkoristimo za gradnjo nanostruktur. Na silicijevi rezini potrebujemo le še sorazmerno velike vodilne žlebove, ki usmerijo polimere na ustrezna mesta. Žlebovi poskrbijo za grobo strukturo, kemija blok kopolimerov pa za fino. Kot že tolikokrat doslej to ni ravno nova zamisel, saj je samourejanje molekularnih struktur znan fenomen, le uporabiti za proizvodnjo čipov jim ga še ni uspelo.

Skjonnemand verjame, da bi na tak način lahko v prihodnosti proizvajali še manjša vezja z manj napakami. Ali bo tudi polprevodniška industrija tako navdušena nad to možnostjo, je odvisno od več dejavnikov in bomo to šele videli.

Blok kopolimeri se sami sestavijo v strukturo, ki je odvisna od njihove zgradbe. Slika: Karj Skjonnemand, The self-assembling computer chips of the future, TED Talk

Kaj nas čaka

Podjetja, univerze, inštituti in tudi posamezniki nenehno inovirajo in razmišljajo, kako bi obstoječe tehnologije izboljšali in kako bi obstoječe (ali pa tudi zgolj akademske) probleme rešili z novimi tehnologijami. Pogledali smo zgolj nekaj najbolj izpostavljenih in zanimivih izdelkov, ki jih bomo morda dobili v prihodnosti.

Številni zanimivi koncepti namreč iz najrazličnejših vzrokov obtičijo v predalih. Včasih za to ni kriva tehnološka neizvedljivost, temveč družba in trg nista pripravljena ali ne potrebujeta neke rešitve. Spet drugič se pojavi tehnična prepreka, zaradi česar novost ni bistveno uporabnejša od obstoječih tehnologij. Idej ni malo, nekatere so prilezle do komercialnih izdelkov, druge so še čisto na začetku. Prihodnost bo nedvomno še zelo zanimiva.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki