Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: mózg

Czujnik w nas

W Szwajcarii stworzono czujnik, który wszczepiony pod skórę jest w stanie kontrolować kilka parametrów życiowych równocześnie. Kilka lat temu pisałem o takich czujnikach jak o dalekiej przyszłości.

W Szwajcarii stworzono czujnik, który wszczepiony pod skórę jest w stanie kontrolować kilka parametrów życiowych równocześnie. Kilka lat temu pisałem o takich czujnikach jak o dalekiej przyszłości.

Czujnik, a właściwie elektroniczny chip, powstał w laboratoriach politechniki w Lozannie EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne). Ma wielkość paznokcia w małym palcu i nie trzeba wymieniać mu baterii. Ładuje się go przez indukcję, przez skórę. Wszystko, co zbada i zmierzy, przesyła bezprzewodowo do smartfona. Jest to bodaj pierwsze urządzenie tego typu, które może być wykorzystywane komercyjnie u pacjentów. Poprzednie konstrukcje nie były co prawda większe, ale miały ogromną wadę – badały tylko jeden parametr, tylko jedną zmienną. Ten równocześnie rejestruje ich kilka.

Od czego się zaczęło?

Czujnik, o którym mowa, wpisuje się w rozwój dziedziny zwanej nanotechnologią. Co prawda urządzenia nano są znacznie, znacznie mniejsze, ale bardzo szybki wyścig do miniaturyzacji zawdzięczamy właśnie nanotechnologii. Za ojca tej dziedziny uważany jest genialny fizyk Richard Feynman. Uczestniczył w pracach nad budową pierwszej bomby atomowej (projekt Manhattan), a po wojnie pracował na najlepszych uniwersytetach amerykańskich. Zajmował się kwantową teorią pola i grawitacji, fizyką cząstek i nadprzewodnictwem. To on jako pierwszy podał koncepcję komputera kwantowego i – w 1960 roku – zapowiedział powstanie nowej dziedziny nauki – nanotechnologii. W 1965 r. otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki. Feynman wielokrotnie zwracał uwagę na to, że przyszłość będzie nano, że zrozumienie tego, co dzieje się w nanoświecie, świecie na poziomie pojedynczych cząstek i atomów, będzie kluczowe dla naszego przyszłego rozwoju.

Trudno oczywiście dokładnie określić, kiedy nanotechnologia rzeczywiście powstała, ale nie ma wątpliwości, że wiele dziedzin przemysłu coraz chętniej zwraca głowę w kierunku ekstremalnej miniaturyzacji. Jedną z dziedzin, które robią to szczególnie często, jest medycyna. Nanomedycyna dzisiaj rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden to próby (coraz częściej udane) stworzenia nanocząsteczek, które będą nośnikami leków, a nawet genów. Wnikając do organizmu, będą uwalniać przenoszony czynnik dokładnie w tym miejscu i dokładnie o tym czasie, jaki jest optymalny. Drugi kierunek to nanosensory. Te mogą być wykorzystywane nie tylko w medycynie, ale także na przykład w ochronie środowiska. Dobrym przykładem jest nanosensor służący do analizy krwi. Z zewnątrz wygląda jak siateczka z ogromną ilością otworów. W rzeczywistości to mikroskopijne kanaliki krzemowe, w których znajdują się przeciwciała wyłapujące komórki nowotworowe. Analiza przeciwciał pozwala stwierdzić, czy w krwi znajdują się komórki rakowe, a jeżeli tak, to ile i jakie. Taka informacja nie może być pozyskana w trakcie standardowej analizy, bo komórek nowotworowych w krwi jest bardzo mało. Co ciekawe, testowana metoda jest dużo tańsza niż dzisiaj stosowane, a do analizy wystarczy jedna, dosłownie, kropla krwi.

Myszy już mają

Nanomedycyna jednoznacznie kojarzy się jednak z budową nanorobotów, które wpuszczone do ludzkiego krwiobiegu będą nie tylko monitorowały funkcje życiowe, ale także reagowały na stany kryzysowe organizmu. Te skojarzenia – przynajmniej na razie – są całkowicie chybione. Co nie znaczy oczywiście, że prace nad miniaturyzacją robotów nie są prowadzone. Już dzisiaj tworzone są roboty, których rozmiary umożliwiają użycie ich w rzeczywistych warunkach szpitalnych. Na przykład kapsułka monitorująca wnętrze układu trawiennego skonstruowana przez japońską firmę Denso Research jest wielkości standardowej tabletki. Jest wyposażona we własne zasilanie i kamerę CCD wysokiej rozdzielczości oraz urządzenie do przesyłania informacji drogą radiową do urządzenia bazowego. Po połknięciu „kapsułka endoskopowa” przekazuje wysokiej jakości obraz w czasie rzeczywistym. Nie ma własnego napędu, porusza się pod wpływem… siły grawitacji i perystaltyki jelit. Ale na rynku są już urządzenia niewiele większe, które mogą poruszać się samodzielnie, choć na razie jeszcze nie w układzie krwionośnym. Kilka lat temu na jednej z konferencji nanotechnologicznych pokazano nanosilnik, który jest mniejszy od główki od szpilki. Jego koła napędowe były 100 razy cieńsze niż kartka papieru, a ich średnica mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Silnik obracał się z częstotliwością jednego obrotu na sekundę i teoretycznie mógłby być elementem systemu napędowego jakiegoś małego urządzenia pływającego. Zanim te powstaną, miną jeszcze lata. Wcześniej do medycyny wejdą inteligentne czujniki, które być może będą wszczepiane pod skórę na dłuższy czas osobom o podwyższonym ryzyku zdrowotnym. Takim czujnikiem jest wspomniany sensor stworzony w Lozannie. Ma wielkość poniżej centymetra i w czasie rzeczywistym monitoruje obecność oraz stężenie kilku molekuł. Może badać odczyn (pH), temperaturę, ale przede wszystkim cholesterol, glukozę, poziom tlenu oraz stężenie przynajmniej kilku leków. To ostatnie będzie szczególnie ważne dla osób, które z powodu swojej choroby muszą regularnie zażywać jakieś medykamenty. Ich przedawkowanie jest wtedy bardzo łatwe. Pełna kontrola nad poziomem substancji czynnej we krwi jest bardzo istotna. Sensor został przetestowany na myszach, a testy kliniczne na ludziach rozpoczną się za kilka lat.

Brak komentarzy do Czujnik w nas

Muzyka to drgania

Dla niektórych muzyków informacja o tym, że całe swoje życie poświęcają produkcji drgań może być niemiłym zaskoczeniem. Setki, tysiące godzin prób, ból, łzy i emocje, a wszystko po to, by cząsteczki powietrza wyprowadzić z położenia równowagi.

Dla niektórych muzyków informacja o tym, że całe swoje życie poświęcają produkcji drgań może być niemiłym zaskoczeniem. To samo dotyczy także tych, którzy śpiewają. Setki, tysiące godzin prób, ból, łzy i emocje, a wszystko po to, by cząsteczki powietrza wyprowadzić z położenia równowagi.

Co to znaczy z położenia równowagi? To w przypadku cząsteczek powietrza, niezbyt fortunne stwierdzenie. Tlen, azot, wodór – atomy tych i wielu innych pierwiastków wchodzących w skład powietrza i tak nigdy nie są w spoczynku. Poruszają się chociażby pod wpływem różnicy temperatur czy ciśnienia (jedno z drugim jest zresztą powiązane). Jeżeli ktoś nie wierzy, niech spojrzy za okno, a najlepiej nich wyjdzie na świeże powietrze. Wiatr to właśnie ruch cząsteczek powietrza. Zimą wbijający się w ubranie jak szpilki, latem zwykle przyjemnie schładzający naszą skórę. Co ten ruch ma wspólnego z dźwiękami? Nic. Gdy wieje wiatr, cząsteczki powietrza przemieszczają się z miejsca na miejsce, jak samochody jadące szeroką autostradą. Z dźwiękami jest inaczej. Tutaj ruch bardziej przypomina zakorkowane miasto, gdzie na ulicach samochody stoją zderzak w zderzak. Albo nie, przypomina klik-klaka. Kulka z brzegu zostaje odchylona i uderza w swoją sąsiadkę, a ta w kolejną itd. Ale środkowe kulki zmieniają położenie tak nieznacznie, że nawet tego nie widać. Co nie przeszkadza im przekazywać energię. To przekazywanie energii od jednej kulki, do kolejnej dojdzie w końcu do ostatniej, która energicznie odskakuje. Podobnie jest z dźwiękiem. Cząsteczki powietrza przekazują sobie energię dźwięku tak jak kuleczki klik – laka. Z tą różnicą, że kuleczek w popularnej zabawce jest najwyżej kilka, a cząsteczek powietrza pomiędzy źródłem dźwięku a naszym uchem mogą być setki milionów.

Gęściej znaczy szybciej

Dźwięk rozchodzi się oczywiście nie tylko w powietrzu, nie tylko w gazach, ale także w cieczach i ciałach stałych. Czym gęstszy jest ośrodek, tym dźwięk szybciej się w nim rozchodzi. Na pozór to nielogiczne, ale gdyby się dłużej zastanowić… Skoro cząsteczki przekazują energię dźwięku nie jak posłańcy poruszający się na dużych odległościach, tylko raczej jak ludzie czekający w kolejce, czym bliżej siebie będą cząsteczki, tym szybciej dźwięk będzie przekazywany. Tym więcej energii zostanie przekazanej dalej. W powietrzu dźwięk porusza się z prędkością około 1200 km/h. W wodzie prędkość dźwięku jest prawie 5 razy większa i wynosi około 5400 km/h, a w stali wibracje poruszają się z prędkością bliską 18 000 km/h. Z drugiej strony, gdy cząsteczek nie ma wcale, albo gdy są bardzo daleko od siebie, dźwięk nie jest przekazywany w ogóle. W próżni panuje idealna cisza.

Dźwięki można wytwarzać na wiele różnych sposobów. Wytworzenie, to zwykle jednak za mało. Żeby były słyszalne, trzeba je wzmocnić. I mowa tutaj nie o mikrofonach i głośnikach, tylko o wzmacnianiu dźwięków przez same instrumenty. Człowiek wydaje dźwięki bo powietrze wychodzące z płuc, wprawia w drgania cienkie błony zwane strunami głosowymi. Dźwięki wydawane przez człowieka wzmacniane są w klatce piersiowej. W wielu instrumentach dźwięk wzmacnia pudło rezonansowe. W innych, są za to odpowiedzialne tzw. fale stojące. Sporo w tym fizyki, ale ciekawsze od tego jest to, co dzieje się z dźwiękiem po „opuszczeniu” instrumentu.

To oczywiste że drgania mogą być mocniejsze, albo słabsze. Wtedy dźwięk jest głośniejszy, albo cichszy. Ale to nie jedyna cecha drgań. W końcu ten sam dźwięk grany na skrzypcach i na pianinie różnią się od siebie. Falę wyobrażamy sobie jako sinusoidę (góry i doliny). To wyobrażenie jest jak najbardziej prawidłowe, tyle tylko, że trochę wyidealizowane. W rzeczywistości „górki” i „doliny” nie są gładziutkie, tylko składają się z wielu mniejszych „góreczek”. To w tych nieregularnościach zawarta jest informacja o dźwiękach. Nie o ich głośności, ale o ich brzmieniu. Jak to rozumieć, że w czymś zawarta jest informacja o brzmieniu?

Kostki na całe życie

W końcu fala akustyczna (czyli drganie od cząsteczki do cząsteczki) dojdzie do ucha, a konkretnie do błony bębenkowej. Od środka jest ona połączona z trzema kosteczkami – młoteczkiem, kowadełkiem i strzemiączkiem. To najmniejsze kości w całym ciele człowieka. I co ciekawe, od urodzenia do śmierci nie zmieniają one swoich rozmiarów. Nie rosną – jak wszystkie inne kości naszego organizmu. Trzy wspomniane kosteczki przenoszą drgania błony bębenkowej w głąb ucha, ale to nie jedyna ich funkcja. Są tak ze sobą połączone (na zasadzie dźwigni), że znacząco te drgania wzmacniają. Aż o 20 razy!

Kosteczki słuchowe przenoszą drgania do ślimaka. To zakręcony kanał, który jest wypełniony płynem. We wnętrzu kanału znajdują się czułe na drgania cieczy komórki. Wibracje powietrza na zewnątrz ucha, przez zmyślny system zamieniane są na wibracje płynu wypełniającego ślimak. A tam, drgania płynu zamieniane są na impulsy nerwowe. I w zasadzie dopiero od tego momentu można mówić o „słyszeniu”. Ucho nie słyszy, tylko zamienia drgania cząsteczek powietrza na impulsy elektryczne. To mózg tym impulsom nadaje znaczenie i interpretacja. To dopiero w zakamarkach mózgu odpowiedniej sekwencji impulsów elektrycznych przypisywane są dźwięki skrzypiec czy trąbki. To mózg, a nie ucho rozróżnia i potrafi nazwać te same dźwięki grane przez różne instrumenty.

Słuch jest pierwszym zmysłem człowieka. Już w pierwszych tygodniach życia płodowego, wykształcają się organy słuchowe. Długo przed porodem, dziecko słyszy. Słuch jest jedynym zmysłem, który tak wcześnie pozwala poznać dziecku świat zewnętrzny. Zaraz po porodzie dziecko prawie nie widzi. Słyszy doskonale i odczuwa zapachy. Od kilku lat wiadomo, że dziecko uczy się naśladować dźwięki, jakie słyszało jeszcze przed urodzeniem. W czasopiśmie Current Biology grupa francuskich i niemieckich uczonych opublikowała raport z którego wynika, że zaraz po urodzeniu dzieci płaczą zgodnie z melodią języka biologicznej matki. Francuskie noworodki na przykład płakały z intonacją wznoszącą się, a niemieckie z intonacją opadającą. To odzwierciedla melodię charakterystyczną dla tych języków. Dziecko rozwijając się w łonie matki, choć nie rozumie znaczenia słów, uczy się naśladować melodykę języka. Po co? Inne badania wskazują, że gdy płacz dziecka ma podobną „strukturę” jak język matki, noworodkowi łatwiej jest przyciągnąć uwagę swojej rodzicielki.

Muzyka to drgania cząsteczek powietrza. Brzmi wręcz banalnie prosto. Ale z prostotą ma niewiele wspólnego. Te drgania, ich wydobywanie, przenoszenie, rejestrowanie i interpretacja, to jedno z najciekawszych zagadnień w przyrodzie.

Brak komentarzy do Muzyka to drgania

Zabawa w określanie wieku

Internetowa zabawa która polega na odgadywaniu wieku osób na fotografiach służy temu, by informatyczny gigant nauczył się czegoś, na czym w przyszłości będzie zarabiał krocie. A jeżeli chodzi o zdjęcia… cóż. Niby są twoje. Niby.

Internetowa zabawa która polega na odgadywaniu wieku sfotografowanych osób służy temu, by informatyczny gigant nauczył się czegoś, na czym w przyszłości będzie zarabiał krocie. A jeżeli chodzi o zdjęcia… cóż. Niby są twoje. Niby.

Po pierwsze nieprawdą jest, że to pierwsza tego typu aplikacja (a takie informacje pojawiły się w wielu miejscach). Odgadywać wiek, płeć i nastrój na podstawie zdjęcia czy sekwencji zdjęć (video) wiele firm próbuje od dawna. Aplikacja Microsoftu jest zabawą tylko dla użytkowników, dla firmy jest cenną nauką.

Po co komu takie programy? Pierwszy, kto nauczy się rozpoznawać emocje innych osób będzie miał w ręku ogromną władzę i ogromne pieniądze. Wiele lat temu, w USA, testowano system, który z tłumu ludzi wyławiał konkretne jednostki. Złapana w kadrze kamery twarz jest przez odpowiedni algorytm analizowana i porównywana ze zdjęciami zamieszczonymi w bazie danych. W ten sposób można z tłumy wyławiać np. przestępców, którzy uciekli z więzienia, podejrzanych, którzy się ukrywają, czy ludzi, których służby bezpieczeństwa z jakiś powodów inwigilują. Już kilka lat temu profesjonalne systemy osiągały zdolność analizowania do miliona twarzy na sekundę! Do komputera głównego systemu można dodatkowo wprowadzić algorytm, który np. pozwoli po sposobie chodzenia wyławiać z tłumu tych, którzy pod płaszczem czy kurtką niosą coś ciężkiego. Albo tych, którzy mają odpowiedni nastrój. Co to znaczy odpowiedni? Zależy od tego kto płaci. Jeżeli służby bezpieczeństwa, wyławiane z tłumu na lotnisku mogą być np. osoby zestresowane. Jeżeli system ma pracować dla kogoś kto sprzedaje dobra luksusowe będzie wyszukiwał raczej ludzi zadowolonych z siebie. Podekscytowani faceci być może będą bardziej skłonni kupować gadżety elektroniczne, a osoby zamyślone czy rozmarzone książki. Psycholodzy, socjolodzy  wiedzą lepiej jak połączyć emocje z zachowaniami konsumenckimi. Mają w tym zresztą dość sporą praktykę. Niektóre produkty kupujemy chętniej gdy muzyka w sklepie jest spokojna, inne, gdy jest rytmiczna. W wielu rozpylane są zapachy, których świadomie nie czujemy. Nie tylko sklepach, ale także biurach, fabrykach czy miejscach publicznych. Dużą praktykę mają w tym Japończycy. Wszystko po to, by projektować nasze zachowania. Na prawdę myślisz, że jesteś panem samego siebie i że świadomie podejmujesz decyzje? Jeżeli tak myślisz, mylisz się bardzo.

W pismach dla facetów reklamuje się inne produkty, niż w gazetach dla młodych matek. To logiczne. Wraz z rozwojem systemów rozpoznających emocje i intencje, targetowanie przekazu reklamowego wejdzie na zupełnie nowy poziom. Pozostaje do rozwiązania jeszcze jedna kwestia. Jak komunikować się z potencjalnym klientem? Można sobie wyobrazić tradycyjne nośniki reklamowe, które będą wyświetlały reklamy w zależności od tego kto na nie patrzy. Możliwe, ale chyba mało skuteczne. Dużo bardziej prawdopodobne jest to, że ktoś zrobi użytek z kamerek zamontowanych w komputerach, tabletach, telefonach komórkowych. Oczywiście za zgodą właścicieli. Zgodzimy się na wszystko, już tyle razy sprzedaliśmy się dla zwykłej wygody, że i na to przymkniemy oko. Już dzisiaj w wyszukiwarkach internetowych działają algorytmy, które podpowiadają treści (nie tylko reklamowe) w zależności od naszej aktywności w internecie. W przyszłości algorytmy wyszukiwania i proponowania zostaną wzbogacone o płeć, wiek i nastrój osoby, która w danym momencie korzysta z urządzenia elektronicznego.

A wracając do aplikacji służącej do „odgadywania” wieku na podstawie zdjęcia. Nie da się jednoznacznie określić wieku czy emocji na podstawie konkretnych, fizycznych cech twarzy. Łatwiej jest z określaniem płci. Po to by tego typu programy dobrze działały, muszą się tego nauczyć. Do nauki potrzebna jest jednak odpowiednia liczba przykładów. Osób, które dobrowolnie prześlą swoje zdjęcie a wynikami pochwalą się w mediach społecznościowych. Wiedza, którą zyska algorytm stojący za aplikacją warta będzie miliardy. Witajcie w klatce – króliczki doświadczalne 🙂

I jeszcze jedno. Co dzieje się ze zdjęciami, które wrzucamy do serwisu? Microsoft twierdzi, że ich nie przetrzymuje („We don’t keep the photo”) ale gdy wklikać się głębiej (w Terms of Use), wśród wielu akapitów można znaleźć stwierdzenia, które temu przeczą.

Microsoft does not claim ownership of any materials you provide to Microsoft (…). However, by posting, uploading, inputting, (…) your Submission, you are granting Microsoft, its affiliated companies, and necessary sublicensees permission to use your Submission in connection with the operation of their Internet businesses.

Co w wolnym tłumaczeniu znaczy:

Microsoft nie rości sobie praw własności jakichkolwiek materiałów (…). Jednak zamieszczając, przesyłając, wprowadzając (…) materiały, użytkownik przekazuje firmie Microsoft oraz jej spółkom zależnym i licencjobiorcom prawo do korzystania z tych materiałów w związku z działalnością tych firm.

Dalej przepisy precyzują, że firma ma prawo bez ograniczeń kopiować, rozpowszechniać, przekazywać, odtwarzać, publicznie wykonywać, powielać, edytować, tłumaczyć przekazane jej materiały. A jako, że firma nie rości sobie praw do materiałów, zrobi to podpisując nazwiskiem właściciela.

Podsumowując. Zabawa która polega na odgadywaniu wieku osób na zdjęciach służy temu, by gigant informatyczny nauczył się skutecznego radzenia sobie z tym, z czym matematyka (algorytmy informatyczne) radzą sobie kiepsko. Dzięki wrzucaniu prywatnych zdjęć dajemy firmie możliwość stworzenia unikalnej bazy z której w przyszłości, przy tworzeniu profesjonalnych narzędzi będzie mogła korzystać. I grubo na tym zarabiać. A jeżeli chodzi o zdjęcia… cóż. Niby są twoje. Niby.

1 komentarz do Zabawa w określanie wieku

Teleportuj się !!!

Powiem szczerze: bałbym się teleportacji, skoro mamy kłopot z tradycyjnymi środkami transportu. A tymczasem naukowcom udała się teleportacja na odległość 25 km!

Może więc i dobrze, że teleportacja ludzi jest (na razie) niemożliwa. O co w ogóle chodzi? Teleportacja to przenoszenie obiektów z miejsca na miejsce, ale – jak mówią fizycy – bez zachowania ciągłości istnienia. Brzmi nie najlepiej, ale w największym skrócie polega na tym, że obiekt w jednym miejscu znika, a w drugim się pojawia.

Mielonka

Teleportacja jest dość popularna np. w filmach science fiction. Szczególnie w tych, których akcja dzieje się w przestrzeni kosmicznej. To jeden z dwóch sposobów radzenia sobie z ogromnymi odległościami, jakie w kosmosie są faktem. Nie chcąc narażać się na śmieszność, trzeba znaleźć w miarę prawdopodobny sposób szybkiego przemieszczania się. Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym kłopotem jest zamontowanie w statkach kosmicznych napędów nadświetlnych, czyli takich, które rozpędzają obiekt do prędkości wyższej niż prędkość światła. Drugim ze sposobów jest teleportowanie. Napędów nadświetlnych nie ma i nie wiem, czy kiedykolwiek będą. Jeżeli zaś chodzi o teleportację, to problemu nie ma. Naukowcy potrafią teleportować… choć na razie nie ludzi. Na razie nie mamy ani urządzenia, ani nawet pomysłu, jak powinno wyglądać urządzenie do teleportowania większych i bardziej złożonych obiektów. Pisząc „większych i bardziej złożonych”, nie mam na myśli słonia afrykańskiego czy fortepianu. Mam na myśli większe atomy, nie mówiąc już nawet o najprostszej cząsteczce chemicznej.

Problemy z teleportowaniem przewidzieli także futurolodzy. Od czasu do czasu także w produkcjach science fiction nielubiany bohater korzystał z uszkodzonego „portalu” i w efekcie pojawiał się „po drugiej stronie” w kawałkach albo w formie przypominającej – brutalnie mówiąc – mielonkę. I także tutaj scenarzyści mieli nosa i nie bardzo minęli się z prawdą. Z definicji przy przesyłaniu cech zwanych stanami kwantowymi cząstki A do oddalonej cząstki B, niszczony jest stan kwantowy A. Trochę to skomplikowane, ale w zasadzie da się prosto wytłumaczyć. Nie może być tak, że teleportacja polega na skopiowaniu obiektu. Wtedy istniałyby dwa takie same obiekty. Teleportacja polega na „sczytaniu” obiektu A i przesłaniu w oddalone miejsce. Ale w czasie tego przesyłania obiekt A przestaje istnieć („znika”). Gdy przychodzi do jego odtworzenia, a coś pójdzie nie tak jak trzeba, wychodzi… w największym skrócie mielonka.

W czym jest problem?

Dzisiaj nikt ludzi oczywiście nie próbuje teleportować. Poza zasięgiem naukowców jest nawet teleportacja najprostszych cząsteczek. Nawet tak prostych jak chociażby trzyatomowa cząsteczka wody. Więcej, dzisiejsza technika nie pozwala teleportować nawet pojedynczego atomu, o ile mówimy o większym atomie, np. uranu, który składa się z kilkuset protonów, neutronów i elektronów. Jak to wygląda w praktyce? Każda cząstka ma tzw. stany kwantowe, czyli swoją specyfikę. Cząstki różnią się od siebie właśnie stanami kwantowymi, tak jak obiekty makroskopowe różnią się od siebie np. kolorem, zapachem, smakiem czy fakturą. Teleportacja polega na odczytaniu tych „cech”, przesłaniu ich w nowe miejsce i tam nadaniu ich innej cząstce. Przy okazji niszczy się stany kwantowe cząstki pierwotnej, stąd nie ma mowy o kopiowaniu czegokolwiek, tylko rzeczywiście o przesyłaniu.

Skoro to takie proste, w czym problem, żeby teleportować duże obiekty? Nie da się przesłać takich cech jak kolor, kształt, smak czy zapach po to, by w drugim teleporcie je odtworzyć… Te wspomniane cechy makroskopowe są wypadkową stanów kwantowych miliardów, bilionów cząstek, z których duże obiekty się składają. Problem teleportowania dużych czy większych od pojedynczych cząstek obiektów jest więc problemem skali. Na razie ledwo radzimy sobie ze stanami kwantowymi maleńkich obiektów, ale przyjdzie czas na te większe. I może wtedy pojawi się problem, czy da się teleportować wiedzę, czy da się teleportować duszę…

Wróćmy jednak na Ziemię (albo ziemię). Pierwszą teleportację kwantową przeprowadzono w 1997 r., ale już 7 lat później zespół badaczy z USA i Austrii opublikował dane, z których wynikało, że teleportowano najmniejszy atom, czyli wodór. Tym razem w piśmie „Nature Photonics” ukazała się publikacja, z której wynika, że dzięki badaczom z Uniwersytetu w Genewie, należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, oraz z National Institute of Standards and Technology w USA, udało się teleportować cząstkę na rekordową odległość 25 kilometrów. Informacja o stanach kwantowych została przesłana światłowodem, ale w przyszłości być może uda się ją przesłać falami radiowymi albo promieniem lasera. Tylko 25 kilometrów? Tak, wiem, wiem. W ten sposób na Księżyc czy Marsa się nie dostaniemy, ale od czegoś trzeba zacząć

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

1 komentarz do Teleportuj się !!!

Komputer na światło

Wyobraź sobie komputery miliardy razy szybsze od tych, które dzisiaj mamy do dyspozycji. Po co nam takie urządzenia? Na razie jeszcze nie wiem, ale jestem pewien, że jak tylko je stworzymy, zastosowania sypną się jak z rękawa.

Wyobraź sobie komputery miliardy razy szybsze od tych, które dzisiaj mamy do dyspozycji. Po co nam takie urządzenia? Na razie jeszcze nie wiem, ale jestem pewien, że jak tylko je stworzymy, zastosowania sypną się jak z rękawa.

Skąd ta pewność? Tego uczy nas historia. Także ta najnowsza. W 1946 roku Thomas Watson, prezes koncernu IBM, firmy, która właśnie skonstruowała pierwszy komputer, stwierdził publicznie, że tego typu maszyny nigdy nie będą powszechne. W dość długim przemówieniu powiedział także, że jego zdaniem w przyszłości świat nie będzie potrzebował więcej niż 5 maszyn cyfrowych. No tak, przecież gry były planszowe, o internecie nikt nie słyszał, a dokumenty można przecież pisać na maszynie do pisania. Tymczasem dzisiaj mocna pozycja firmy IBM została zbudowana właśnie na produkcji ogólnie dostępnych i powszechnych maszyn cyfrowych. I jeszcze jeden przykład. W połowie lat 90. XX wieku (czyli zaledwie 20 lat temu) guru technologii cyfrowej, założyciel i szef Microsoftu Bill Gates stwierdził, że internet to mało użyteczna zabawka. Faktycznie, wtedy był on czymś takim. Faktycznie, listy można było wysłać pocztą albo faksem. Zawsze to samo. Cywilizacja rozwija się dzięki wizjonerom spełniającym swoje marzenia. Dzięki ludziom, którzy nie zawsze potrafią odpowiedzieć na pytania „po co?” albo „do czego nam się to przyda?”. Historia uczy jednak, że każde odkrycie, każda rewolucja błyskawicznie zostają zagospodarowane. I stąd pewność, że komputery kwantowe, bo o nich mowa, będą urządzeniami, bez których ludzie nie będą sobie wyobrażali życia.

Światłem hurtowo

Pomysł, by wykorzystać kwanty (np. pojedyncze cząstki światła) jako nośnik informacji, jako „medium” do prowadzenia obliczeń, ma około 40 lat. Jak to często bywa, w takich sytuacjach dość trudno wskazać pierwszego pomysłodawcę, ale nie ma wątpliwości, że jednym z pierwszych był znany fizyk Richard Feynman. No i potoczyło się. Na kilku uniwersytetach grupy naukowców rozpoczęły teoretyczne obliczenia. Jedna z takich grup, związana z uniwersytetem oksfordzkim, stworzyła protokoły kwantowe. Współpracował z nią też Polak, Artur Ekert. Po około 10 latach od rzucenia pomysłu, czyli w połowie lat 90. XX wieku, powstały pierwsze podstawowe elementy konstrukcji komputera kwantowego, czyli bramki, które przetwarzały kubity. Co to takiego? To cząstki elementarne, fotony lub elektrony, których różne stany w pewnym sensie są nośnikami informacji. Tylko dlaczego komputer zbudowany „na kwantach” ma być szybszy od tradycyjnego? Sprawa, wbrew pozorom, nie jest aż tak bardzo skomplikowana. Podstawą jest przeniesienie się do zupełnie innego świata. Świata, w którym nic nie jest takie jak w naszym świecie. Mam tutaj na myśli świat kwantów, same podstawy budowy naszej materii. Zjawiska, które tam występują, są dla nas fascynujące, bo wokół nas ich nie zauważamy. Więcej, one są nielogiczne, przeczące intuicji i zdrowemu rozsądkowi.

Jedną z dziedzin badających ten świat jest optyka kwantowa. Tak jak „zwykła” optyka, czyli ta, której uczymy się w szkole na lekcjach przyrody czy fizyki, tak samo i ta kwantowa zajmuje się światłem. Różnica polega na tym, że optyka kwantowa bada pojedyncze cząstki światła, czyli kwanty albo ich niewielkie grupy (pary, trójki…), podczas gdy „optyka szkolna” zajmuje się światłem bardziej „hurtowo”. Bada je jako zbiór ogromnej ilości kwantów. Właśnie w tych ogromnych ilościach fotonów (czyli w wiązkach czy promieniach światła) gubią się te zjawiska, które w przypadku pojedynczych cząstek występują. O co konkretnie chodzi? Na przykład o zjawisko superpozycji. – To zjawisko nie występuje w świecie klasycznym i bardzo trudno w ogóle znaleźć do niego zrozumiałą analogię – mówi „Gościowi” Radosław Chrapkiewicz, doktorant Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

I w lewo, i w prawo

Superpozycja. O co chodzi? – Definicja mówi, że to istnienie dwóch pozornie wykluczających się stanów cząstki – mówi Chrapkiewicz. I od razu dodaje, że superpozycja w naszym świecie nie występuje, ale gdyby występowała, strzałka skierowana w prawo równocześnie byłaby skierowana także w lewo, a prawy but byłby równocześnie lewym. – W świecie, który nas otacza, strzałka jest skierowana albo w jedną, albo w drugą stronę, a jeden but może być albo prawy, albo lewy. Ale w świecie kwantów jest inaczej. Jedna cząstka może istnieć w stanach, które się wzajemnie wykluczają. Tylko co to ma wspólnego z komputerami kwantowymi? W klasycznym komputerze, takim, jaki stoi w niemal każdym domu, takim, na jakim piszę ten artykuł, wszelkie obliczenia robi się na zerach i jedynkach. Maleńkie elementy elektroniczne mogą przyjmować albo wartość „0”, albo „1”. – W komputerze kwantowym w pewnym sensie zera i jedynki istnieją równocześnie, a to oznacza, że możemy wykonywać równocześnie wiele obliczeń naraz – mówi Radosław Chrapkiewicz. Muszę mieć niewyraźną minę, bo Radek tłumaczy dalej. – Jeden klasyczny bit to jest zero lub jedynka, jeden kwantowy bit, czyli kubit, to jakiś stan równoczesnego istnienia zera i jedynki. W tym samym momencie zamiast jednej wartości mamy dwie współistniejące. Jeżeli weźmiemy dwa kubity, mamy jednoczesne współistnienie czterech wartości, bo tyle jest możliwych kombinacji zer i jedynek. A jeżeli zbuduję komputer dziesięciokubitowy, różnych możliwości jest 2 do 10 potęgi, czyli 1024, podczas gdy w klasycznym komputerze dziesięciobitowym jest tylko 10 możliwości – tłumaczy Radosław Chrapkiewicz. I dodaje: – Liczba operacji możliwych do wykonania równocześnie rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem liczby kubitów. Komputery skonstruowane w ten sposób działałyby nieporównywalnie szybciej, bo wiele operacji mogłyby wykonywać równocześnie. Dzisiejsze komputery nie potrafią robić kilku operacji naraz – kończy Chrapkiewicz.

Zasada działania komputera kwantowego nie wydaje się skomplikowana. Ale jak jest z jej realizacją? No i tutaj pojawia się problem. Dzisiaj nie ma jeszcze układów, które z czystym sumieniem można byłoby nazwać wielokubitowymi. Co prawda na początku lutego 2007 roku firma D-Wave Systems zaprezentowała 128-kubitowy komputer, ale istnieją uzasadnione wątpliwości, czy to rzeczywiście jest „pełnowartościowy” komputer kwantowy, czy tylko urządzenie, które wykorzystuje pewne zjawiska kwantowe. Być może różnica pomiędzy tymi dwoma przypadkami jest subtelna, ale specjaliści ją zauważają. Ale nawet w przypadku komputera, który nie jest przez wszystkich zaliczany do maszyn kwantowych, liczby mogą robić wrażenie. Jedna z grup badaczy twierdzi, że stworzyła czip, który może dokonywać ponad 10^38 obliczeń naraz. Zwykłemu, klasycznemu komputerowi zajęłoby to kilka milionów lat.

To takie logiczne

No i powstaje pytanie kluczowe. Po co nam tak szybkie komputery? Kilka zastosowań przychodzi do głowy od razu. Zastosowania wojskowe, a właściwie wywiadowcze. Dzisiejsze komputery nie radzą sobie z ogromną ilością danych, które nadsyłają urządzenia podsłuchowe. Ludzie odpowiedzialni w strukturach państwa za bezpieczeństwo (własnych obywateli) nie lubią sytuacji, gdy mają dane, ale nie są ich gdy przeanalizować, bo jest ich za dużo. Niewiele instytucji ma fundusze na to, by inwestować w takie dziedziny nauki jak optyka kwantowa. Nieliczne są instytucje związane z wojskiem czy wywiadem. Amerykańska Agencja Bezpieczeństwa Narodowego, która zajmuje się tym drugim, w komputery kwantowe inwestuje duże pieniądze. Zresztą podobnie było z komputerami, których dzisiaj używamy. Ich rozwój związany był z Projektem Manhattan – budowy pierwszej bomby jądrowej. – Ta analogia jest bardzo dobra. Moim zdaniem komputery kwantowe dzisiaj są na takim etapie rozwoju technologicznego, jak w latach 40. XX wieku były komputery klasyczne – mówi Radosław Chrapkiewicz. I dodaje, że nie sposób dzisiaj powiedzieć, kiedy przyjdzie przełom.

Choć sam zajmuje się optyką kwantową, nie jest w stanie wyobrazić sobie komputerów kwantowych w każdym domu czy w zminiaturyzowanej wersji zastosowanych w jakichś urządzeniach mobilnych, takich jak np. dzisiejsze smartfony. Nie tylko zresztą on. Przegląd specjalistycznych stron internetowych pokazuje, że gdy mowa o wykorzystaniu komputerów kwantowych, najczęściej pojawiają się stwierdzenia o analizie dużej ilości danych, w tym danych naukowych i o skomplikowanych modelach matematycznych, dotyczących np. pogody czy na przykład projektowania leków. Nic dla ludzi? Cóż, leki są jak najbardziej dla ludzi, ale faktycznie brakuje nam chyba wyobraźni, by dzisiaj znaleźć zastosowanie dla maszyn o tak ogromnej mocy obliczeniowej. Spokojnie, gdy pojawią się takie komputery, pojawią się i zastosowania. A wtedy będziemy nieskończenie zdziwieni, że wcześniej tych zastosowań nie potrafiliśmy zauważyć. Przecież one są takie… logiczne.

komputer kwantowy

 

>>> Na zdjęciu układ skonstruowany przez firmę D-Wave Systems, zawierający 128 kubitów.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

6 komentarzy do Komputer na światło

Telepatia działa…

…przez internet. Przeprowadzono eksperyment, w ramach którego udało się skomunikować ze sobą dwa oddalone od siebie mózgi. W efekcie jeden człowiek zrobił coś, co pomyślał drugi.

…przez internet. Przeprowadzono eksperyment, w ramach którego udało się skomunikować ze sobą dwa oddalone od siebie mózgi. W efekcie jeden człowiek zrobił coś, co pomyślał drugi.

Nieinwazyjny interfejs mózg–mózg jest czymś, co budzi równie dużo obaw, co nadziei i fascynacji. Odkrycie czy raczej eksperyment był dość naturalną konsekwencją prac, które prowadzi się od lat i które polegają na „sprzęgnięciu” ze sobą mózgu i komputera. Interfejsy mózg–komputer działają dzięki odczytowi, a następnie skomplikowanej interpretacji sygnałów elektrycznych, które generuje ludzki mózg. Te sygnały mogą być odczytywane wprost z mózgu, ale także (co czyni całą sprawę jeszcze bardziej skomplikowaną) na powierzchni skóry głowy. Zresztą te same sygnały są analizowane w znanej lekarzom od lat metodzie EEG. Interfejs mózg–komputer jest kolejnym krokiem. Sygnały są nie tylko rejestrowane, ale przypisywane jest im pewne znaczenie. I tak np. osoba niepełnosprawna myśląc, jest w stanie kierować wózkiem inwalidzkim. Albo ktoś całkowicie sparaliżowany jest w stanie komunikować się z otoczeniem poprzez koncentrację, wyobrażanie sobie np. liter, które następnie pojawiają się na ekranie komputera (opisuję to w skrócie, bo w rzeczywistości proces jest bardziej złożony).

Jak mózg z komputerem

Wspomniane techniki nie są przeznaczone oczywiście tylko dla ludzi chorych. Już dziś można kupić urządzenie przypominające kask, które zakłada się na głowę, co pozwala za pomocą myśli sterować postaciami w grze komputerowej. Być może w przyszłości komunikacja ludzi z urządzeniami elektronicznymi w całości będzie się opierała na falach mózgowych. Dzisiaj w komputerze czy telefonie niezbędna jest klawiatura, myszka czy dotykowy ekran. Inaczej nie wprowadzimy do urządzenia informacji, bez tego nie wyegzekwujemy żadnego działania. Przyszłości nie da się przewidzieć, ale nie znaczy to, że nie można zostać futurologiem. Sytuacja, w której myślami będę „współpracował” z komputerem, wydaje mi się fascynująca. Ale to oczywiście nie koniec drogi, tylko być może dopiero jej początek. No bo skoro da się skomunikować pracę mózgu i komputera, dlaczego nie spróbować komunikacji pomiędzy dwoma mózgami? Naukowcy z amerykańskiego Uniwersytetu Waszyngtona stworzyli taki interfejs. Informacja pomiędzy dwoma mózgami została przesłana siecią internetową.

Pisząc „informacja”, nie mam jednak na myśli konkretnej wiedzy przekazywanej pomiędzy mózgami, tylko raczej impuls do zrobienia czegoś. Eksperyment wykonało dwóch uczonych, którzy tematem zajmowali się od wielu lat. Jeden to Andrea Stocco, drugi Rajesh Rao. W sierpniu tego roku ci dwaj panowie usiedli wygodnie w fotelach w dwóch różnych punktach kampusu uniwersyteckiego i zrobili coś, co będzie opisywane kiedyś w podręcznikach. Rao założył na głowę czepek z elektrodami rejestrującymi fale mózgowe. Z kolei Stocco założył czepek z elektrodami do tzw. przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. W pewnym sensie te urządzenia są swoją przeciwnością. Jedno fale mózgowe rejestruje, a drugie raczej je w mózgu generuje. Rao nie myślał o niczym specjalnym, po prostu grał w grę komputerową, z tym, że nie przez klawiaturę czy inne urządzenie peryferyjne, tylko używał do tego własnych myśli. Gdy jego zadaniem było trafienie w cel znajdujący się z prawej strony ekranu komputera, wyobrażał sobie, że porusza prawą ręką i trafia w ten punkt. Tymczasem niemal dokładnie w tej samej chwili jego kolega Stocco, kilkaset metrów dalej, rzeczywiście poruszył prawą ręką.

Mimowolny tik

Stocco miał na uszach słuchawki (po to, by nie było podejrzeń, że ktoś mu podpowiada) i słuchał muzyki. Nie patrzył też na ekran komputera. Był zrelaksowany, odpoczywał, a w pewnym momencie poruszył palcem ręki. Nie do końca potrafił powiedzieć, dlaczego to zrobił. Tłumaczył, że jego ruch „przypominał mimowolny tik”. Ten eksperyment oznacza, że po raz pierwszy udało się przekazać informację pomiędzy dwoma mózgami. Na razie ten przepływ jest jednokierunkowy, ale wiadomo, że kolejnym krokiem będzie dwukierunkowość. Co ciekawe, w tym eksperymencie w zasadzie nie używa się niczego, co dotychczas nie było znane. Zarówno EEG, jak i stymulację magnetyczną lekarze stosują od wielu lat. Przełom polega na tym, że badaczom udało się, wykorzystując znane narzędzia, uzyskać zupełnie nową jakość. Badacze jak zwykle studzą emocje.

Eksperyment powiódł się dlatego, że ośrodek odpowiedzialny za motorykę nie jest usytuowany we wnętrzu mózgu, tylko na jego powierzchni. W innym wypadku nie udałoby się go pobudzić bezinwazyjnie z zewnątrz. Nie ma żadnych szans – jak twierdzą – na to, by obecna metoda była wykorzystywana do wpływania na myśli drugiego człowieka. Badacze kategorycznie stwierdzili również, że nie ma także możliwości sterowania drugim człowiekiem bez jego woli. Na co w takim razie są szanse? Dość trudno na tym etapie powiedzieć, ale niemal od razu narzuca się pomoc osobom niepełnosprawnym w komunikacji ze światem zewnętrznym. Być może uda się stworzyć urządzenia pomagające ludziom w kontrolowaniu bardzo skomplikowanych urządzeń, takich, jakimi są np. samoloty.

Dwóch pilotów mogłoby być w jakiś sposób połączonych ze sobą, tak, że działaliby jako jeden organizm, a nie dwa oddzielne. Z drugiej strony piloci przez wielogodzinne szkolenia, nawet bez nowej technologii, potrafią doskonale ze sobą współpracować. Jest jeszcze coś. A może ta technologia przyda się w porozumiewaniu pomiędzy osobami, które mówią w różnych językach? Fale mózgowe są przecież uniwersalne i nie zależą od wieku, kultury i pochodzenia. Tym bardziej że nikt nie powiedział, że w takiej komunikacji mogą uczestniczyć tylko dwie osoby.

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

2 komentarze do Telepatia działa…

Nano-lekarz

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Nie wiem, kiedy ta wizja się spełni, ale widzę, że świat inżynierii zmierza w tym kierunku. A wszystko zaczęło się w 1960 roku od słów jednego z najbardziej zasłużonych i barwnych fizyków w historii nauki. Richard Feynman był znany z bardzo dużego poczucia humoru i talentów popularyzatorskich. Uwielbiał grać na bębnach bongo. W ich rytmie zdarzało mu się nawet prowadzić wykłady. Malował, pisał książki i zbierał znaczki. Ale w historii zapisał się z innego powodu. Był fizykiem teoretykiem i laureatem Nagrody Nobla. Pracownikiem najlepszych na świecie uniwersytetów. Zajmował się dość hermetyczną dziedziną, jaką jest kwantowa teoria pola i grawitacji, ale interesował się także fizyką cząstek i nadprzewodnictwem. To on jako pierwszy podał koncepcję komputera kwantowego i – w 1960 roku – zapowiedział powstanie nowej dziedziny inżynierii – nanotechnologii.

Sporo miejsca

Nanotechnologia bada i próbuje wykorzystać potencjał natury i właściwości świata bardzo małych rozmiarów i bardzo małych odległości. Co jest tam tak interesującego? – „There is plenty of room at the bottom” – powiedział w czasie pamiętnego wykładu zapowiadającego powstanie nowej dziedziny wspomniany już Richard Feynman. W tłumaczeniu na polski to zdanie znaczyłoby mniej więcej: „gdzieś tam na dole jest dużo miejsca”. Feynman zastanawiał się, jak naśladować naturę, która z atomów i cząsteczek potrafi tworzyć większe, olbrzymie, piękne struktury, takie jak chociażby białka czy cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością, i mechaniczną, i energetyczną. Innymi słowy, człowiek powinien spróbować nauczyć się naśladować przyrodę, tworzyć układy złożone, wychodząc z atomów i cząsteczek, i kontrolując ten proces, mieć jakiś wpływ na powstającą nową materię. Brzmi dumnie, ale jak to zrobić? To jest właśnie coś, co ma rozstrzygnąć nowa dziedzina. Naukowcy i inżynierowie do tego wyzwania próbują podejść na dwa sposoby. Jeden to tak zwane „bottom up”, czyli przejście od podstaw, z tego poziomu najniższego, atomowo-cząsteczkowego, do większych, zaprojektowanych struktur. Czyli od pojedynczych atomów i cząsteczek do konkretnych materiałów. Najpierw tych w skali nanometrowej, a później o tysiąc razy większej, czyli mikrometrowej.

To podejście przypomina budowanie domu z cegieł. Małe elementy łączone są w duże struktury. Atomy łączone są w cząsteczki. Na przykład takie, które w przyrodzie nie występują. Cząsteczki białek, które mogą być lekarstwem na wciąż niezwyciężone choroby, czy cząsteczki o takich właściwościach, które można będzie wykorzystać w elektronice. Drugie podejście jest dokładnie odwrotne, czyli „top down” – z góry do dołu. To jak wytwarzanie ziarenek piasku podczas mielenia większych kawałków skały albo jeszcze lepsza analogia, mielenie całych ziaren kawy na kawowy proszek. Po co? Im drobniej zmielone, tym lepiej gorąca woda wyciągnie z nich kofeinę. Z całych ziaren kofeiny nie da się wyciągnąć. Wracając do fizyki czy technologii: to drugie podejście polega na rozdrabnianiu materii i schodzeniu do niższych jej form wymiarowych, do skali nano włącznie.

Podróże do wnętrza

O nanotechnologii można bardzo dużo pisać. Choć to nowy kierunek, rozwija się bardzo dynamicznie. Trudno znaleźć dziedzinę nauki, w której nie byłaby obecna. Jednym z bardziej pasjonujących kierunków jej rozwoju jest nanomedycyna. Ta rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden to próby (coraz częściej udane) stworzenia nanocząsteczek, które będą nośnikami leków, a nawet genów. Wnikając do organizmu, będą uwalniać przenoszony materiał dokładnie w tym miejscu i dokładnie o tym czasie, jaki jest optymalny. Drugi kierunek to nanosensory i nanoroboty. Już kilka lat temu stworzono nanodetektor komórek rakowych. Do jego działania wystarczy – dosłownie – jedna kropla krwi. Krew przesączana jest przez tysiące mikroskopijnych kanalików krzemowych, w których znajdują się przeciwciała wyłapujące komórki nowotworowe. Analiza przeciwciał pozwala stwierdzić, czy w krwi znajdują się komórki rakowe, a jeżeli tak, to ile i jakie. Taka informacja nie może być pozyskana w trakcie standardowej analizy, bo komórek nowotworowych w krwi jest bardzo mało. Nanomedycyna jednak najbardziej kojarzy się z nanorobotami. Wpuszczone do ludzkiego krwiobiegu będą nie tylko monitorowały funkcje życiowe, ale także reagowały na stany kryzysowe organizmu.

Te skojarzenia – przynajmniej na razie – są nierealne. Na razie. W listopadowym numerze czasopisma naukowego „Nature Communications” opisano urządzenie wielkości kawałka główki od szpilki. Zbudowane jest jak muszla małża, z dwóch połówek połączonych w jednym punkcie (to połączenie przypomina zawias w drzwiach). Niewielkie elektromagnesy w obydwu częściach urządzenia mogą powodować otwieranie i zamykanie „muszli”. Ta w efekcie takiego ruchu może się poruszać. Prędkość tego ruchu jest oczywiście zależna od przekroju naczynia i prędkości krwi (oraz kierunku), ale już dzisiaj mówi się, że urządzenie, którego wielkość nie przekracza 0,3 mm, jest jednym z tych, które w przyszłości będą podróżowały we wnętrzu naszego ciała.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

Brak komentarzy do Nano-lekarz

Ten robot ma żywy mózg

Komórki szczurzego mózgu nauczyły się kontrolować pracę robota. – Dzięki temu może zrozumiemy jak wyleczyć chorobę Alzheimera – mówią naukowcy. Może i tak, ale mnie przechodzą ciarki po plecach jak myślę o tym eksperymencie.

Ludzki mózg, stanowi dla badaczy większą tajemnicę niż wszechświat. Nie wiemy jak w detalach przebiega proces uczenia się czy zapamiętywania. Nie wiemy dlaczego tkanka nerwowa się nie regeneruje. I co szczególnie ważne nie wiemy jak leczyć wiele chorób związanych z naszą pamięcią.

Mózg w mechanicznym ciele

Badacze z brytyjskiego University of Reading wybudowali robota, którego głównym zajęciem jest… jeżdżenie od ściany do ściany. Jest mały, wolny i prawie nic nie potrafi. Zamiast kamery ma zwykły sonar, a duże koła poruszają się mało precyzyjnie. Jest jednak szczególny. Jego mózgiem nie jest elektroniczny procesor, tylko żywe komórki nerwowe szczura. Ten robot ma żywy mózg ! To on najpierw się uczy, a po chwili sam decyduje gdzie robot ma jechać.

Kevin-foto Mózgiem robota jest 300 tyś komórek pobranych z kory mózgowej szczura. Naukowcy chemicznie pozbawili neurony połączeń międzykomórkowych (zabili ich pamięć ?) a następnie umieścili w specjalnym, wypełnionym pożywką i antybiotykami pojemniku. Stworzyli im warunki w których mogły samodzielnie żyć. W dno tego pojemnika zatopionych było 60 przewodów elektrycznych a ich zakończenia, elektrody, były wyprowadzone do środka pojemnika. To właśnie tymi elektrodami wędrowały impulsy elektryczne, np. wtedy gry robot zderzył się ze ścianą. Tymi samymi kanałami wędrowała informacja z sonarów. Gdy urządzenie zbliżało się do ściany, na elektrodach pojawiało się odpowiednie napięcie elektryczne. Gdy robot zderzał się ze ścianą, do komórek wędrował inny sygnał elektryczny a odpowiedni system nakazywał kręcić się kołom robota w innym kierunku.

Komórki uczą się

Po kilku próbach okazało się, że żywe komórki coraz rzadziej pozwalałby zderzać się ze ścianą. Nauczyły się, że sygnał „przed nami ściana” oznacza, że za chwilę dojdzie do kolizji. Żeby do tego nie dopuścić, tymi samymi elektrodami sygnał elektryczny wędrował w drugim kierunku. Szczurzy mózg w ciele robota nakazywał kołom skręt i do zderzenia ze ścianą nie dochodziło. Żywe komórki zaczęły kontrolować maszynę.

Gordons-neuronsPo jakimś czasie robot unikał nawet 90 proc. wszystkich kolizji. Ale nie o kontrolę, albo nie tylko o kontrolę chodzi. Naukowcom szczególnie zależy na tym, żeby na gorącym uczynku złapać proces uczenia się. Komórki nerwowe w specjalnym odżywczym odczynniku zaczęły rekonstruować połączenia pomiędzy sobą. Zaczęły do siebie wysyłać sygnały elektryczne. Naukowcy przeprowadzający to doświadczenie mówili, że wyglądało to trochę tak jak gdyby pojedyncze neurony szukały siebie nawzajem, a równocześnie komunikowały gdzie same się znajdują. Tak jak gdyby same były żywym organizmem. – Wydaje się, że komórki mózgu mogą ponownie się organizować w każdych warunkach, które nie są dla nich zabójcze – powiedział Steve Potter z Georgia Institute of Technology w Atlancie, USA. Każdy sygnał elektryczny jaki pochodził od komórek nerwowych, przez elektrody dostawał się do komputera i tam był rejestrowany. Szczurzy mózg, choć kierował robotem, nie przestawał być żywą tkanką. Potrzebował energii (stąd żel odżywczy w pojemniku z komórkami) oraz antybakteryjnej tarczy (stąd w żelu antybiotyki). To jednak nie wystarcza. Żywe komórki muszą mieć zapewnioną odpowiednią temperaturę. Dlatego też w czasie dłuższych prób szczurze komórki mózgowe wcale nie były fizycznie w robocie. Krążek z elektrodami i komórkami był podłączony do urządzenia, które sygnały elektryczne „tłumaczyło” na fale radiowe. Innymi słowy mózg robota był w inkubatorze w którym utrzymywana była optymalna temperatura, a robot sygnały o tym jak ma się poruszać dostawał za pośrednictwem fal radiowych (wykorzystano technologię Bluetooth). Odpowiednie urządzenie pozwalało na dwustronny kontakt pomiędzy jeżdżącym robotem i „jego” mózgiem w inkubatorze.

Czy to komuś pomoże ?

Mózg poza urządzeniem…brzmi abstrakcyjnie. Choć z drugiej strony dzisiejsze komputery także często korzystają z mocy obliczeniowej, która znajduje się poza ich „ciałem”. Coraz częściej to w chmurze trzymamy dane a nawet całe programy.

– To co w tych badaniach najciekawsze, to znalezienie odpowiedzi na pytanie jak aktywność pojedynczych neuronów przekłada się na złożone zachowania całych organizmów – powiedział dr Ben Whalley, jeden z naukowców biorących udział w badaniach. – Ten eksperyment pozwala na wgląd w ten proces na poziomie pojedynczych komórek. To pozwoli nam na sformułowanie odpowiedzi na pytania fundamentalne – dodaje. Naukowcom udało się nauczyć żywe komórki kontroli nad prostym robotem. Ale to nie oznacza końca eksperymentu. Kolejnym krokiem będzie uszkodzenie połączeń pomiędzy wyuczonymi już komórkami mózgu w taki sposób w jaki upośledzone są połączenia u osób cierpiących na chorobę Alzheimera czy Parkinsona. Jak teraz będzie wyglądał proces uczenia się ? Czy robot z mózgiem który „cierpi” na chorobę Alzheimera będzie także się uczył ? Czy powstaną nowe połączenia ? Jeżeli nie, co zrobić żeby powstawały ?

Choć badacze zaangażowani w projekt uważają, że ich praca będzie krokiem milowym w rozumieniu wielu procesów które dzieją się w mózgu, nie brakuje i takich, którzy studzą emocje. – To zaledwie model. To nie badania mózgu, tylko jego małego wycinka w sztucznym otoczeniu. Oczywiście wyniki badań mogą nas wiele nauczyć, ale mogą też zmylić nas na przyszłość. Przecież nie wiemy czy to co zaobserwujemy w laboratorium wystąpiłoby w rzeczywistości – powiedział Steve Potter z Georgia Institute of Technology. – Trzeba być bardzo ostrożnym w wyciąganiu daleko idących wniosków – dodaje. Autorzy badań zgadzają się z tym podejściem, ale podkreślają, że… – nawet jeżeli przeprowadzane przez nas eksperymenty tylko w 1 proc. pogłębią naszą wiedzę o chorobach takich jak Alzheimer, będzie to świadczyło o tym, że warto je było przeprowadzić – powiedział profesor Kevin Warwick z School of Systems Engineering. Co do tego nie ma jednak chyba żadnej wątpliwości.

 

Tekst ukazał się w Tygodniku Gość Niedzielny.

1 komentarz do Ten robot ma żywy mózg

Nos – wrażliwa sprawa

Ludzi nos to złożone urządzenie. Ruch powietrza w jego wnętrzu jest bardziej skomplikowany niż układ turbulencji wokół skrzydeł odrzutowca. 50 milionów komórek receptorowych wysyła do płatów czołowych kory mózgowej impulsy elektryczne, dzięki którym czujemy ponad 10 tysięcy różnych zapachów.

Zapach, nam wąchającym, kojarzy się z czymś niematerialnym. Błąd. To nic innego jak związek chemiczny, cząsteczka, ba nawet pojedynczy pierwiastek, który działa na receptory w naszym nosie. W zasadzie są dwa warunki by „coś” stało się zapachem. Musi być lotne. Tzn. musi parować oraz musi przedostać się przez błonę śluzową, którą „opakowane” są receptory węchowe. To oczywiście nie znaczy, że wszystko co lotne ma zapach. Dobrym przykładem jest np. para wodna, która przecież nie pachnie. Nie pachnie też tlen czy azot, ale równocześnie nieprzyjemny zapach chloru zna chyba każdy kto używał środków dezynfekujących toaletę.

Gdy wraz z wdychanym powietrzem do kanałów nosowych dostają się związki zapachowe… no i właśnie tutaj zaczyna się problem. Przedostają się przez błonę śluzową i zaczepiają się o receptory. Skąd receptor wie jak ma pachnieć citroetalon (cytrusy) a jak 3-etoksy-4-hydroksybenzaldehyd (zapach wanilii) ? To nie nos ani receptory wie jak co ma pachnieć, tylko nasz mózg. Receptory przekazują informacje o tym co złapały, a nasz mózg konkretnemu sygnałowi przypisuje wrażenie zapachu. Ten sam związek może być przez różne osoby odczuwany w inny sposób, choć mózg najprawdopodobniej dostaje w obydwu przypadkach taką samą informację. Wrażenie zapachu może się zmieniać nawet u jednej osoby w zależności od pory dnia czy roku.

No dobrze, ale skąd w takim razie konkretny receptor wie jaki związek się do niego przyczepił ? Wydaje się, że mechanizm zapachu opiera się na drganiach cząsteczki zapachowej. Ta – obrazowo opisując – wchodzi do zagłębienia znajdującego się w receptorze. Tam, w jej kierunku wysyłany jest elektron, który odbijając się od poszczególnych atomów cząsteczki zapachowej (jak kule bilardowe) i wprawia ją w drgania. Te drgania są ściśle zależne od tego, jak cząsteczka wygląda, z jakich atomów się składa i jak te atomy są względem siebie rozlokowane. Nawet najmniejsza różnica w budowie dwóch cząsteczek powoduje, że drgają one w inny sposób. To drganie powoduje, że receptor wysyła do mózgu odpowiednią informację. Dla każdej cząsteczki inną, bo każda cząsteczka drga w trochę inny sposób. W przypadku niektórych związków wystarczy 8 cząsteczek, by w mózgu powstał impuls nerwowy. – No cóż, zaproponowany mechanizm wydaje się być bardzo skomplikowany – powiedział prof. John Mitchell, chemik z University of Cambridge, specjalista od substancji zapachowych. – Ale natura bywa skomplikowana – dodaje.

Jeszcze ciekawiej do problemu… nosa podeszli badacze z Imperial College London ( badania sfinansowane były przez Biotechnology and Biological Sciences Research Council). Naukowcy zadali sobie pytanie jak cząsteczki zapachowe docierają do receptorów. Jak wygląda przepływ powietrza wewnątrz kanałów nosowych. Dzięki nowoczesnej technice obrazowania doszli do wniosku, że ten ruch w czasie wdechu jest bardziej złożony niż ruch powietrza wokół skrzydeł lecącego odrzutowca. Badacze najpierw stworzyli model komputerowy, a później, z pleksi model rzeczywisty. Badano w których miejscach powietrze tworzy wiry, a w których jego przepływ jest wsteczny. Naukowcy chcieli się też dowiedzieć czy w akcie pojedynczego wdechu, cała porcja powietrza przechodzi przez nos do jamy gardła czy też jego część zostaje w jamie nosowej na dłużej. Symulowano też kaszel, kichanie i siąkanie. – Od cichego i spokojnego oddychania po gwałtowne kichanie – chcemy dokładnie wiedzieć co dzieje się w nosie – powiedział profesor Bob Schroter – lider grupy badawczej.

Wyniki badań zaskoczyły naukowców. Sama jama nosowa jest bardzo nieregularna. Pełno w niej zakamarków, fałd i niesymetrycznych załamań. Te największe to trzy małżowiny nosowe (górna, środkowa i dolna), które rozdzielają strumień powietrza na części. Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że wnętrze nosa pokryte jest dobrze ukrwioną błoną śluzową. Ją z kolei – w zależności od obszaru jamy nosowej – pokrywa nabłonek oddechowy, migawkowy, a w okolicy węchowej – nabłonek węchowy. No i włoski. One powodują że ruch powietrza w ich sąsiedztwie, albo wręcz pomiędzy nimi jest praktycznie niemożliwy do opisania. Powietrze wciągnięte w czasie wdechu nie przechodzi zaraz do jamy gardła, tylko jeszcze przez dłuższą chwilę wiruje w okolicach gdzie rozmieszczone są receptory węchu. Czy powodem może być to, że receptory węchu potrzebują trochę czasu na zadziałanie ? A może w przypadku bardziej złożonych zapachów nasz mózg potrzebuje danych płynących z nosa przez dłuższą chwilkę, żeby poprawnie zinterpretować zapach. Czy ma to związek z wrażeniem, że niektóre zapachy „pozostają” w nosie dłużej, nawet po wydechu powietrza ?

Brak komentarzy do Nos – wrażliwa sprawa

Konkurs o mózgu

Książka z imienną dedykacją, koszulka i parasol. Tym razem takie nagrody przygotowałem w cotygodniowym konkursie. A sam konkurs dotyczy mózgu.

Konkurs dotyczy trzeciego odcinka serii Megaodkrycia, emitowanego na kanale National Geographic Channel w niedzielę o godzinie 22:00.

W „Rozszyfrować mózg” zobaczycie opowieść o tym, w którą stronę zmierzają najnowsze badania naukowe dotyczące ludzkiego umysłu.

A teraz pytanie:

>>> Czy Waszym zdaniem nauka doprowadzi do tego, że maszyny będą zdolne myśleć abstrakcyjnie tak jak ludzie? Czy będzie to szansa, czy raczej zagrożenie?

Odpowiedzi wpisujcie proszę w komentarzach pod tym tekstem. Najlepsza odpowiedź zostanie nagrodzona moją najnowszą książką „Człowiek”. Jeżeli takie będzie życzenie wygranego, chętnie napiszę imienną dedykację. Dwie kolejne nagrody to koszulka i parasol z nadrukiem National Geographic Channel.

nagroda_Fotor_Fotor_Collage

 Regulamin konkursu:  http://naukatolubie.pl/regulamin-konkursu/

6 komentarzy do Konkurs o mózgu

Type on the field below and hit Enter/Return to search