Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fyzikové vyvinuli miniaturní motor, který dokáže získávat energii ze šumu na pozadí. Zařízení ze skleněných mikrokuliček patří mezi informační motory, které měří drobné pohyby způsobené (tepelným) šumem a využívají tuto informaci k selektivnímu posilování pohybů tím směrem, který stroj právě potřebuje. Jak uvádí spoluautor nové studie John Bechhoefer ze Simon Fraser University (Burnaby, Britská Kolumbie), v tomto smyslu se dá říct, že informační motor přeměňuje informace na práci.
Vědci sestrojili nový typ informačního motoru pomocí mikroskopické skleněné kuličky velké asi jako bakterie a zavěšené ve vodě. Kulička je volně držena na místě laserovým paprskem (je v příslušné „pasti“). Molekuly ve vodě s kuličkou jemně postrkují v důsledku přirozených tepelných výkyvů v kapalině a kulička se čas od času vzpříčí. Jakmile systém zjistí, že na kuličku působí síla směrem vzhůru, laserová past se zvedne. Tím se kulička dostane na vyšší hladinu energie (gravitační potenciální energie); není třeba na to vynakládat energii, ta se získá z neuspořádaného pohybu vody. „Rozhodnutí o tom, zda se má past zvednout, a pokud ano, tak o kolik, závisí na informacích, které shromažďujeme o poloze kuličky; tyto informace fungují jako ‚palivo‘ pro motor,“ uvádějí autoři.
Realizace tohoto principu je ale obtížná. V systému může být velkým šumem zatíženo i samotné měření při lokalizaci kuličky (laserovým paprskem; poznámka: míněno jiným, než tím „udržujícím“?). Chyba vzniklá při měření polohy může být příliš velká, což pak zhoršuje využití energie z pohybů vody, nebo je dokonce zcela znemožňuje.
Typické informační motory používají algoritmy zpětné vazby, které se rozhodují na základě posledního měření polohy kuličky, ale tato rozhodnutí mohou být v případě velké chyby měření chybná. Podstatou nového výzkumu je přístup v tomto ohledu sofistikovanější. Vědci vyvinuli algoritmus zpětné vazby, který se nespoléhá pouze na přímé měření poslední polohy kuličky (protože to může být hodně nepřesné), ale zahrnuje do něj i polohy kuličky ze všech předchozích měření. Tímto způsobem se při využití principů bayesovské statistiky vylepší přesnost odhadu (poznámka: laicky nějak tak, že náhodné chyby by se měly cca vyrušit).
Vědci pak experimentálně ukázali, že jejich informační motor zejména v systémech s velkými chybami měření dosahuje výrazně lepších výsledků a dokáže fungovat i tehdy, když již dosud používané „naivnější“ motory selhávají a zastavují se. Protože nový bayesovský motor využívá informace ze všech předchozích měření, potřebuje na druhé straně větší úložnou kapacitu a zahrnuje více zpracování informací. Za výhodu tedy platíme určitou cenu, protože snížení chyby měření zvyšuje práci extrahovatelnou z fluktuací, ale také zvyšuje náklady na zpracování informací. Mezi těmito dvěma parametry se pak pokoušíme nalézt nějaký kompromis, respektive optimum. Největší výhody přináší nový přístup prý v situacích, kdy je chyba měření „střední“, kdy proti běžnému stroji dokáže o dost lépe extrahovat energii, aniž by se současně příliš zvýšily náklady na zpracování informace.
Jako další směr výzkumu se uvádí využití fluktuací, které nejsou pouze tepelné, třeba různé výchylky chemických koncentrací, jaké se objevují v živých buňkách. Obecně se nabízí přizpůsobení těchto motorků prostředí živých systémů, které vykazují speciální formy uspořádanosti.
Tushar K. Saha et al, Bayesian Information Engine that Optimally Exploits Noisy Measurements, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Zdroj: Foundational Questions Institute, FQXi / Phys.org
Nějak tápu v čem se toto liší od myšlenkového konceptu „maxwellův démon“.
asi je tam navic nejaky ten bayseovsky figl s pravdepodobnosti apriorni a aposteriorni, ale jak presne?
No mě šlo spíš o to, že „maxwellův démon“ je myšlenkový koncept, ze kterého v reálu žádná energie nejde získat (náklady na manipulaci s dveřmi jsou větší než získaná energie). Pokud se o MD nemluví, tak je to divné. Teoreticky by to mohlo být proto že jde o jiný princip (= článek jsem nepochopil) nebo proto, že MD limity platí a jde o investorskou past. Pokud by limity „démona“ dokázali překonat, tak by podle mě psali o tom že „zrovna tady MD limity neplatí“.
Maxwellův démon nefunguje, protože na otvírání a zavírání branky a na měření rychlosti přilétající molekuly je zapotřebí nějaká energie a ta je vyšší, než se získá tou separací molekul na „teplejší“ a „studenější“ následně pohonem tepelného stroje.
Tady také máte nějaké lasery (spotřeba energie), nějaké výpočty (spotřeba energie) a kdo ví co dalšího také potřebuje nějakou energii. Takže určitě s nejedná o zdroj energie, ale možná o zařízení, které za spotřeby energie přemění energii tepelného šumu na pohybovou energii, ovšem pravděpodobně s účinností obtížně odlišitelnou od nuly.
Pokud v „chaosu“ molekul vody budou nějaké (pro danou teplotu) energeticky významné frekvence, dal by se vodík těžit pulzním proudem odpovídající frekvence a kapalina by se u toho ochlazovala. Žádné perpetum mobile, kinetická energie molekul by překonávala elektrickou dvojvrstvu.
jen me napada: neni to tak, ze v realnem systemu se ale budou vyskytovat fluktuace, z nich energii tezit pujde, tak jako funguje vetrna elektrarna? a ta bayesovska statistika nejak umozni zjistit, kdy uz se to vyplati ty fluktuace merit/dal zpracovavat, eventualne se tim zmeni prislusna „citlivost“. protoze maxwelluv demon jako takovy nemuze existovat, pak by jinak ani ten puvodni zdroj nedaval smysl, a to snad ve physical review letters by nepublikovali…?
mozna uz chapu, kde je problem – toto neni maxwelluv demon delici rychle a pomale molekuly, ale spis vyuzivajici „klasicky“ sum v realnem systemu. nemelo by se pak rikat „tepelny“ sum, asi (ale ten je i v te pruvodni tiskove zprave). mozna tedy nejake zmateni mezi puvodnim clanek a tiskovou zpravou (nebo jisteze mozna i mezi TZ a mym textem)