Ερευνητές "χάκαραν" τα πρώτα στάδια της φωτοσύνθεσης, της φυσικής μηχανής που τροφοδοτεί τη συντριπτική πλειοψηφία της ζωής στη Γη, και ανακάλυψαν νέους τρόπους για την εξαγωγή ενέργειας από τη διαδικασία, ένα εύρημα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους παραγωγής καθαρών καυσίμων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Μια διεθνής ομάδα φυσικών, χημικών και βιολόγων, με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Cambridge, κατάφερε να μελετήσει τη φωτοσύνθεση - τη διαδικασία με την οποία τα φυτά, τα φύκια και ορισμένα βακτήρια μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ενέργεια - σε ζωντανά κύτταρα σε υπερταχεία χρονική κλίμακα: ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Παρά το γεγονός ότι πρόκειται για μια από τις πιο γνωστές και καλά μελετημένες διαδικασίες στη Γη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η φωτοσύνθεση έχει ακόμη μυστικά να πει. Χρησιμοποιώντας υπερταχείες φασματοσκοπικές τεχνικές για τη μελέτη της κίνησης της ενέργειας, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι χημικές ουσίες που μπορούν να αποσπάσουν ηλεκτρόνια από τις μοριακές δομές που είναι υπεύθυνες για τη φωτοσύνθεση το κάνουν στα αρχικά στάδια, και όχι πολύ αργότερα, όπως πιστεύαμε προηγουμένως.

Αυτή η "επανασύνδεση" της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζει την περίσσεια ενέργειας και να δημιουργήσει νέους και πιο αποτελεσματικούς τρόπους χρήσης της ενέργειάς της. Τα αποτελέσματα αναφέρονται στο περιοδικό Nature.

"Δεν γνωρίζαμε τόσα πολλά για τη φωτοσύνθεση όσα νομίζαμε ότι γνωρίζαμε, και η νέα οδός μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρήκαμε εδώ είναι εντελώς εκπληκτική", δήλωσε η Dr Jenny Zhang από το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Cambridge, η οποία συντόνισε την έρευνα.

Ενώ η φωτοσύνθεση είναι μια φυσική διαδικασία, οι επιστήμονες μελετούν επίσης πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση της κλιματικής κρίσης, μιμούμενοι τις διαδικασίες φωτοσύνθεσης για την παραγωγή καθαρών καυσίμων από το ηλιακό φως και το νερό, για παράδειγμα.

Η Zhang και οι συνάδελφοί της αρχικά προσπαθούσαν να κατανοήσουν γιατί ένα μόριο σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζεται κινόνη (quinone) είναι σε θέση να "κλέβει" ηλεκτρόνια από τη φωτοσύνθεση. Οι κινόνες είναι κοινές στη φύση και μπορούν να δέχονται και να δίνουν εύκολα ηλεκτρόνια. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία υπερταχείας παροδικής απορρόφησης για να μελετήσουν πώς συμπεριφέρονται οι κινόνες στα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια.

"Κανείς δεν είχε μελετήσει σωστά πώς αυτό το μόριο αλληλεπιδρά με τον φωτοσυνθετικό μηχανισμό σε ένα τόσο πρώιμο σημείο της φωτοσύνθεσης: νομίζαμε ότι απλώς χρησιμοποιούσαμε μια νέα τεχνική για να επιβεβαιώσουμε αυτό που ήδη γνωρίζαμε", δήλωσε η Zhang. "Αντ' αυτού, βρήκαμε ένα εντελώς νέο μονοπάτι και ανοίξαμε λίγο περισσότερο το μαύρο κουτί της φωτοσύνθεσης".

Χρησιμοποιώντας υπερταχεία φασματοσκοπία για να παρακολουθούν τα ηλεκτρόνια, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το πρωτεϊνικό ικρίωμα όπου λαμβάνουν χώρα οι αρχικές χημικές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης είναι "τρύπιο", επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να διαφεύγουν. Αυτή η διαρροή θα μπορούσε να βοηθήσει τα φυτά να προστατευτούν από ζημιές από έντονο ή ταχέως μεταβαλλόμενο φως.

"Η φυσική της φωτοσύνθεσης είναι σοβαρά εντυπωσιακή", δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Dr Tomi Baikie, από το εργαστήριο Cavendish του Cambridge "Κανονικά, εργαζόμαστε σε εξαιρετικά διατεταγμένα υλικά, αλλά η παρατήρηση της μεταφοράς φορτίου μέσω των κυττάρων ανοίγει αξιοσημείωτες ευκαιρίες για νέες ανακαλύψεις σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας της φύσης".

"Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια από τη φωτοσύνθεση είναι διασκορπισμένα σε όλο το σύστημα, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να έχουμε πρόσβαση σε αυτά", δήλωσε η συν-πρώτη συγγραφέας Dr Laura Wey, η οποία έκανε την εργασία στο Τμήμα Βιοχημείας και τώρα βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Turku της Φινλανδίας. "Το γεγονός ότι δεν γνωρίζαμε ότι υπήρχε αυτή η οδός είναι συναρπαστικό, διότι θα μπορούσαμε να την αξιοποιήσουμε για να εξάγουμε περισσότερη ενέργεια για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας".

Οι ερευνητές λένε ότι η δυνατότητα εξαγωγής φορτίων σε ένα προηγούμενο σημείο της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, θα μπορούσε να καταστήσει τη διαδικασία πιο αποτελεσματική κατά τον χειρισμό των φωτοσυνθετικών μονοπατιών για την παραγωγή καθαρών καυσίμων από τον ήλιο. Επιπλέον, η ικανότητα ρύθμισης της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να σημαίνει ότι οι καλλιέργειες θα μπορούσαν να γίνουν πιο ικανές να αντέξουν την έντονη ηλιακή ακτινοβολία.

"Πολλοί επιστήμονες έχουν προσπαθήσει να εξάγουν ηλεκτρόνια από ένα προηγούμενο σημείο της φωτοσύνθεσης, αλλά είπαν ότι δεν ήταν δυνατό, επειδή η ενέργεια είναι τόσο θαμμένη στο πρωτεϊνικό σκελετό", δήλωσε η Zhang. "Το γεγονός ότι μπορούμε να τα κλέψουμε σε μια προγενέστερη διαδικασία είναι εντυπωσιακό. Στην αρχή νομίζαμε ότι κάναμε λάθος: μας πήρε λίγο χρόνο για να πειστούμε ότι τα καταφέραμε".

Το κλειδί για την ανακάλυψη ήταν η χρήση της υπερταχείας φασματοσκοπίας, η οποία επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τη ροή της ενέργειας στα ζωντανά φωτοσυνθετικά κύτταρα σε κλίμακα femtosecond - ένα χιλιοστό του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

"Η χρήση αυτών των υπερταχέων μεθόδων μας επέτρεψε να κατανοήσουμε περισσότερα για τα πρώιμα γεγονότα της φωτοσύνθεσης, από τα οποία εξαρτάται η ζωή στη Γη", δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Christopher Howe από το Τμήμα Βιοχημείας.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Συμβούλιο Ερευνών Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) και το Συμβούλιο Ερευνών Βιοτεχνολογίας και Βιολογικών Επιστημών (BBSRC), αμφότερα μέρος της Έρευνας και Καινοτομίας του Ηνωμένου Βασιλείου (UKRI), το Πρόγραμμα Winton για τη Φυσική της Αειφορίας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, το Cambridge Commonwealth, το European & International Trust, καθώς και το πρόγραμμα έρευνας και καινοτομίας "Horizon 2020" της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η Jenny Zhang είναι υπότροφος του David Phillips στο Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied και μέλος του Corpus Christi College του Cambridge. Ο Tomi Baikie είναι NanoFutures Fellow στο Cavendish Laboratory, και μέλος του Lucy Cavendish College, Cambridge. Η Laura Wey είναι μεταδιδακτορική υπότροφος του Ιδρύματος Novo Nordisk στο Πανεπιστήμιο του Turku.

Baikie and Wey et al. ‘Photosynthesis re-wired on the pico-second timescale.’ Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05763-9

Ένας πρόσφατα ανακαλυφθείς αστεροειδής που έχει περίπου το μέγεθος μιας ολυμπιακής πισίνας έχει μια "μικρή πιθανότητα" να συγκρουστεί με τη Γη σε 23 χρόνια, με πιθανή σύγκρουση την Ημέρα του Αγίου Βαλεντίνου το 2046, σύμφωνα με το Γραφείο Συντονισμού Πλανητικής Άμυνας της NASA.

Ο αστεροειδής έχει 1 στις 625 πιθανότητες να προσκρούσει στη Γη, με βάση τις προβλέψεις δεδομένων της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, αν και το σύστημα Sentry του Jet Propulsion Laboratory της NASA, που παρακολουθεί πιθανές συγκρούσεις με ουράνια αντικείμενα, υπολόγισε τις πιθανότητες πιο κοντά στο 1 στις 560. 

Όμως ο διαστημικός βράχος - με την ονομασία 2023 DW - είναι το μόνο αντικείμενο στον κατάλογο κινδύνου της NASA που κατατάσσεται στο 1 στα 10 στην κλίμακα κινδύνου σύγκρουσης του Τορίνο, μια μετρική για την κατηγοριοποίηση του προβλεπόμενου κινδύνου σύγκρουσης ενός αντικειμένου με τη Γη. Όλα τα άλλα αντικείμενα κατατάσσονται στο 0 στην κλίμακα Torino.

Αν και το 2023 DW βρίσκεται στην κορυφή της λίστας, η κατάταξή του στο 1 σημαίνει μόνο ότι "η πιθανότητα σύγκρουσης είναι εξαιρετικά απίθανη χωρίς να υπάρχει λόγος για δημόσια προσοχή ή δημόσια ανησυχία", σύμφωνα με το Jet Propulsion Laboratory, ενώ η κατάταξη 0 σημαίνει ότι "η πιθανότητα σύγκρουσης είναι μηδενική ή είναι τόσο χαμηλή ώστε να είναι ουσιαστικά μηδενική".

"Αυτό το αντικείμενο δεν είναι ιδιαίτερα ανησυχητικό", δήλωσε ο Davide Farnocchia, μηχανικός πλοήγησης στο Jet Propulsion Laboratory στην Πασαντίνα της Καλιφόρνια.

Αξιωματούχοι της NASA έχουν προειδοποιήσει ότι οι πιθανότητες σύγκρουσης θα μπορούσαν να μεταβληθούν δραματικά καθώς θα συλλέγονται περισσότερες παρατηρήσεις του 2023 DW και θα γίνονται πρόσθετες αναλύσεις.

"Συχνά, όταν ανακαλύπτονται για πρώτη φορά νέα αντικείμενα, χρειάζονται αρκετές εβδομάδες δεδομένων για να μειωθούν οι αβεβαιότητες και να προβλεφθούν επαρκώς οι τροχιές τους για χρόνια στο μέλλον", σημείωσε την Τρίτη στο Twitter η NASA Asteroid Watch.

Ο αστεροειδής έχει διάμετρο περίπου 50 μέτρα, σύμφωνα με τα στοιχεία της NASA. Καθώς ο 2023 DW περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο, έχει 10 προβλεπόμενες κοντινές προσεγγίσεις στη Γη, με την πλησιέστερη προσγείωση στις 14 Φεβρουαρίου 2046 και άλλες εννέα μεταξύ 2047 και 2054. Η κοντινότερη απόσταση που αναμένεται να διανύσει ο αστεροειδής προς τη Γη είναι περίπου 1,8 εκατομμύρια χιλιόμετρα, σύμφωνα με τον ιστότοπο Eyes on Asteroids της NASA.

Ο διαστημικός βράχος εντοπίστηκε για πρώτη φορά στον ουρανό μας στις 2 Φεβρουαρίου. Ταξιδεύει περίπου 25 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο σε απόσταση πάνω από 18 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τη Γη, ολοκληρώνοντας έναν κύκλο γύρω από τον ήλιο κάθε 271 ημέρες.

Ο Farnocchia σημείωσε την επιτυχία της αποστολής DART της NASA, ή αλλιώς Double Asteroid Redirection Test, τον Σεπτέμβριο του 2022 ως απόδειξη ότι η ανθρωπότητα μπορεί να είναι προετοιμασμένη να αντιμετωπίσει διαστημικούς βράχους σε δυνητικά καταστροφικές πορείες. Η DART συνέκρουσε σκόπιμα ένα διαστημόπλοιο με έναν αστεροειδή για να αλλάξει την τροχιά του.

"Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος για τον οποίο πετάξαμε αυτή την αποστολή", είπε, "και αυτή η αποστολή ήταν μια θεαματική επιτυχία".

Η κβαντομηχανική ασχολείται με τη συμπεριφορά του Σύμπαντος σε πολύ μικρή κλίμακα: άτομα και υποατομικά σωματίδια που λειτουργούν με τρόπους που η κλασική φυσική δεν μπορεί να εξηγήσει. Προκειμένου να εξερευνήσουν αυτή την ένταση μεταξύ κβαντικής και κλασικής φυσικής, οι επιστήμονες προσπαθούν συνεχώς να κάνουν όλο και μεγαλύτερα αντικείμενα να συμπεριφέρονται με κβαντικό τρόπο.

Πίσω στο 2021, μια ομάδα τα κατάφερε με μια μικροσκοπική γυάλινη νανοσφαίρα με διάμετρο 100 νανόμετρα - περίπου χίλιες φορές μικρότερη από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στο μυαλό μας αυτό είναι πολύ, πολύ μικρό, αλλά από την άποψη της κβαντικής φυσικής, στην πραγματικότητα είναι μάλλον τεράστιο, φτιαγμένο από έως και 10 εκατομμύρια άτομα. Η προώθηση μιας τέτοιας νανοσφαίρας στη σφαίρα της κβαντομηχανικής ήταν ένα τεράστιο επίτευγμα. Χρησιμοποιώντας προσεκτικά βαθμονομημένα φώτα λέιζερ, η νανόσφαιρα αιωρήθηκε στη χαμηλότερη κβαντομηχανική της κατάσταση, μια κατάσταση εξαιρετικά περιορισμένης κίνησης όπου μπορεί να αρχίσει να συμβαίνει η κβαντική συμπεριφορά.

"Είναι η πρώτη φορά που μια τέτοια μέθοδος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της κβαντικής κατάστασης ενός μακροσκοπικού αντικειμένου στον ελεύθερο χώρο", δήλωσε ο Lukas Novotny, καθηγητής φωτονικής από το ETH της Ζυρίχης στην Ελβετία, τον Ιούλιο του 2021.

Για να επιτευχθούν κβαντικές καταστάσεις, η κίνηση και η ενέργεια πρέπει να ρυθμιστούν στο ελάχιστο. Ο Novotny και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν ένα δοχείο κενού που ψύχθηκε στους -269 βαθμούς Κελσίου πριν χρησιμοποιήσουν ένα σύστημα ανατροφοδότησης για να κάνουν περαιτέρω ρυθμίσεις.

Χρησιμοποιώντας τα μοτίβα παρεμβολής που δημιουργούνται από δύο ακτίνες λέιζερ, οι ερευνητές υπολόγισαν την ακριβή θέση της νανοσφαίρας μέσα στον θάλαμό της - και από εκεί τις ακριβείς ρυθμίσεις που απαιτούνται για να φέρουν την κίνηση του αντικειμένου κοντά στο μηδέν, χρησιμοποιώντας το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από δύο ηλεκτρόδια. Δεν διαφέρει και πολύ από το να επιβραδύνεις μια κούνια παιδικής χαράς σπρώχνοντάς την και τραβώντας την μέχρι να έρθει σε ένα σημείο ηρεμίας. Μόλις επιτευχθεί αυτή η χαμηλότερη κβαντομηχανική κατάσταση, μπορούν να ξεκινήσουν περαιτέρω πειράματα.

"Για να δούμε ξεκάθαρα τα κβαντικά φαινόμενα η νανοσφαίρα πρέπει να επιβραδυνθεί... μέχρι την κινητική της βασική κατάσταση", δήλωσε τότε ο ηλεκτρολόγος μηχανικός Felix Tebbenjohanns, από το ETH της Ζυρίχης.

"Αυτό σημαίνει ότι παγώνουμε την ενέργεια κίνησης της σφαίρας σε ένα ελάχιστο που είναι κοντά στην κβαντομηχανική κίνηση μηδενικού σημείου".

Ενώ παρόμοια αποτελέσματα έχουν επιτευχθεί και στο παρελθόν, χρησιμοποίησαν αυτό που είναι γνωστό ως οπτικό αντηχείο για να εξισορροπήσουν αντικείμενα χρησιμοποιώντας φως. Η προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε εδώ προστατεύει καλύτερα τη νανοσφαίρα από διαταραχές και σημαίνει ότι το αντικείμενο μπορεί να εξεταστεί μεμονωμένα μετά την απενεργοποίηση του λέιζερ - αν και αυτό θα απαιτήσει άφθονη περαιτέρω έρευνα για να πραγματοποιηθεί.

Ένας από τους τρόπους με τους οποίους οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα ευρήματά τους μπορούν να φανούν χρήσιμα είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο η κβαντομηχανική κάνει τα στοιχειώδη σωματίδια να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Είναι πιθανό ότι υπερευαίσθητες διατάξεις όπως αυτή της νανοσφαίρας θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην ανάπτυξη αισθητήρων επόμενης γενιάς πέρα από οτιδήποτε έχουμε σήμερα. Το να καταφέρουμε να αιωρήσουμε μια τόσο μεγάλη σφαίρα σε κρυογενικό περιβάλλον αποτελεί ένα σημαντικό άλμα προς τη μακροσκοπική κλίμακα, όπου μπορεί να μελετηθεί η γραμμή μεταξύ του κλασικού και του κβαντικού.

"Μαζί με το γεγονός ότι το οπτικό δυναμικό παγίδευσης είναι εξαιρετικά ελεγχόμενο, η πειραματική μας πλατφόρμα προσφέρει μια οδό για τη διερεύνηση της κβαντομηχανικής σε μακροσκοπικές κλίμακες", καταλήγουν οι ερευνητές στη δημοσιευμένη εργασία τους.

Καμία καρδιά δεν χτυπάει το ίδιο. Το μέγεθος και το σχήμα της καρδιάς μπορεί να διαφέρει από άτομο σε άτομο. Αυτές οι διαφορές μπορεί να είναι ιδιαίτερα έντονες για τα άτομα που ζουν με καρδιακή νόσο, καθώς η καρδιά και τα μεγάλα αγγεία τους εργάζονται σκληρότερα για να ξεπεράσουν οποιαδήποτε μειωμένη λειτουργία.

Οι μηχανικοί του MIT ελπίζουν να βοηθήσουν τους γιατρούς να προσαρμόσουν τις θεραπείες στη συγκεκριμένη μορφή και λειτουργία της καρδιάς των ασθενών, με μια προσαρμοσμένη ρομποτική καρδιά. Η ομάδα έχει αναπτύξει μια διαδικασία για την τρισδιάστατη εκτύπωση ενός μαλακού και εύκαμπτου αντιγράφου της καρδιάς ενός ασθενούς. Στη συνέχεια, μπορούν να ελέγχουν τη δράση του αντιγράφου για να μιμηθούν την ικανότητα άντλησης αίματος του εν λόγω ασθενούς.

Η διαδικασία περιλαμβάνει πρώτα τη μετατροπή ιατρικών εικόνων της καρδιάς ενός ασθενούς σε τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή, το οποίο οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να εκτυπώσουν τρισδιάστατα χρησιμοποιώντας πολυμερές μελάνι. Το αποτέλεσμα είναι ένα μαλακό, εύκαμπτο κέλυφος στο ακριβές σχήμα της καρδιάς του ίδιου του ασθενούς. Η ομάδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει αυτή την προσέγγιση για να εκτυπώσει την αορτή ενός ασθενούς - τη μεγάλη αρτηρία που μεταφέρει το αίμα από την καρδιά στο υπόλοιπο σώμα.

Για να μιμηθεί την αντλητική δράση της καρδιάς, η ομάδα κατασκεύασε "μανδύες" παρόμοιους με τις μανσέτες αρτηριακής πίεσης που τυλίγονται γύρω από μια εκτυπωμένη καρδιά και αορτή. Η κάτω πλευρά κάθε μανδύα μοιάζει με μεμβράνη φυσαλίδων με ακριβές σχέδιο. Όταν ο μανδύας είναι συνδεδεμένος με ένα πνευματικό σύστημα, οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίσουν τον αέρα που εκρέει ώστε να φουσκώνουν ρυθμικά οι φυσαλίδες του και να συστέλλεται η καρδιά, μιμούμενοι την αντλητική της δράση. 

Οι ερευνητές μπορούν επίσης να φουσκώσουν ένα ξεχωριστό μανδύα που περιβάλλει μια τυπωμένη αορτή για να συστέλλει το αγγείο. Αυτή η συστολή, λένε, μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να μιμηθεί τη στένωση της αορτής - μια κατάσταση κατά την οποία η αορτική βαλβίδα στενεύει, προκαλώντας την καρδιά να εργάζεται σκληρότερα για να προωθήσει το αίμα μέσα στο σώμα.

Οι γιατροί αντιμετωπίζουν συνήθως τη στένωση της αορτής με τη χειρουργική εμφύτευση μιας συνθετικής βαλβίδας που έχει σχεδιαστεί για να διευρύνει τη φυσική βαλβίδα της αορτής. Στο μέλλον, η ομάδα λέει ότι οι γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιήσουν τη νέα τους διαδικασία για να εκτυπώσουν πρώτα την καρδιά και την αορτή ενός ασθενούς και στη συνέχεια να εμφυτεύσουν μια ποικιλία βαλβίδων στο εκτυπωμένο μοντέλο για να δουν ποιος σχεδιασμός οδηγεί στην καλύτερη λειτουργία και εφαρμογή για τον συγκεκριμένο ασθενή. Τα αντίγραφα της καρδιάς θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν από ερευνητικά εργαστήρια και τη βιομηχανία ιατρικών συσκευών ως ρεαλιστικές πλατφόρμες για τη δοκιμή θεραπειών για διάφορους τύπους καρδιακών παθήσεων.

"Όλες οι καρδιές είναι διαφορετικές", λέει ο Luca Rosalia, μεταπτυχιακός φοιτητής στο πρόγραμμα MIT-Harvard Program in Health Sciences and Technology. "Υπάρχουν τεράστιες παραλλαγές, ειδικά όταν οι ασθενείς είναι άρρωστοι. Το πλεονέκτημα του συστήματός μας είναι ότι μπορούμε να αναδημιουργήσουμε όχι μόνο τη μορφή της καρδιάς ενός ασθενούς, αλλά και τη λειτουργία της τόσο στη φυσιολογία όσο και στην ασθένεια".

Ο Rosalia και οι συνάδελφοί του αναφέρουν τα αποτελέσματά τους σε μελέτη που δημοσιεύεται σήμερα στο Science Robotics. Οι συν-συγγραφείς του MIT περιλαμβάνουν τους Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang και Ellen Roche, μαζί με τους Benjamin Bonner του Γενικού Νοσοκομείου της Μασαχουσέτης, James Weaver του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και τους Christopher Nguyen, Rishi Puri και Samir Kapadia της Κλινικής Cleveland στο Οχάιο.

Τον Ιανουάριο του 2020, τα μέλη της ομάδας, με επικεφαλής την καθηγήτρια μηχανολογίας Ellen Roche, ανέπτυξαν μια "βιορομποτική υβριδική καρδιά" - ένα γενικό αντίγραφο μιας καρδιάς, κατασκευασμένο από συνθετικό μυ που περιέχει μικρούς, φουσκωτούς κυλίνδρους, τους οποίους μπορούσαν να ελέγχουν ώστε να μιμούνται τις συσπάσεις μιας πραγματικής καρδιάς που χτυπάει.

Λίγο μετά τις προσπάθειες αυτές, η πανδημία του Covid-19 ανάγκασε το εργαστήριο της Roche, όπως και τα περισσότερα άλλα στην πανεπιστημιούπολη, να κλείσει προσωρινά. Απτόητη, η Ροζαλία συνέχισε να βελτιώνει το σχέδιο της καρδιακής αντλίας στο σπίτι της.

"Αναδημιούργησα ολόκληρο το σύστημα στο δωμάτιο του κοιτώνα μου εκείνον τον Μάρτιο", θυμάται η Rosalia.

Μήνες αργότερα, το εργαστήριο άνοιξε ξανά και η ομάδα συνέχισε από εκεί που σταμάτησε, δουλεύοντας για να βελτιώσει τον έλεγχο του μανικιού της καρδιακής αντλίας, το οποίο δοκίμασε σε ζώα και υπολογιστικά μοντέλα. Στη συνέχεια επέκτειναν την προσέγγισή τους για να αναπτύξουν μανίκια και αντίγραφα καρδιάς που είναι ειδικά για μεμονωμένους ασθενείς. Για το σκοπό αυτό, στράφηκαν στην τρισδιάστατη εκτύπωση.

"Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον στον ιατρικό τομέα για τη χρήση της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης για την ακριβή αναπαράσταση της ανατομίας των ασθενών για χρήση στον προ-χειρουργικό σχεδιασμό και την εκπαίδευση", σημειώνει ο Wang, ο οποίος είναι ειδικευόμενος αγγειοχειρουργός στο Beth Israel Deaconess Medical Center στη Βοστώνη.

Στη νέα μελέτη, η ομάδα αξιοποίησε την τρισδιάστατη εκτύπωση για να παράγει προσαρμοσμένα αντίγραφα πραγματικών καρδιών ασθενών. Χρησιμοποίησαν ένα μελάνι με βάση ένα πολυμερές, το οποίο, αφού εκτυπωθεί και σκληρυνθεί, μπορεί να συμπιεστεί και να τεντωθεί, παρόμοια με μια πραγματική καρδιά που χτυπάει.

Ως αρχικό υλικό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ιατρικές τομογραφίες 15 ασθενών που είχαν διαγνωστεί με στένωση της αορτής. Η ομάδα μετέτρεψε τις εικόνες κάθε ασθενούς σε ένα τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστή της αριστερής κοιλίας (ο κύριος θάλαμος άντλησης της καρδιάς) και της αορτής του ασθενούς. Εισήγαγαν αυτό το μοντέλο σε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να δημιουργήσουν ένα μαλακό, ανατομικά ακριβές κέλυφος τόσο της κοιλίας όσο και του αγγείου.

Η ομάδα κατασκεύασε επίσης μανίκια για να τυλίξει τις εκτυπωμένες φόρμες. Προσάρμοσαν τις τσέπες κάθε μανδύα έτσι ώστε, όταν τυλίγονται γύρω από τις αντίστοιχες μορφές τους και συνδέονται με ένα μικρό σύστημα άντλησης αέρα, οι μανδύες  μπορούν να ρυθμιστούν ξεχωριστά ώστε να συστέλλονται και να συστέλλονται ρεαλιστικά τα εκτυπωμένα μοντέλα.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι για κάθε μοντέλο καρδιάς, μπορούσαν να αναδημιουργήσουν με ακρίβεια τις ίδιες πιέσεις και ροές άντλησης καρδιάς που είχαν προηγουμένως μετρηθεί σε κάθε αντίστοιχο ασθενή.

"Το γεγονός ότι μπόρεσαν να αντιστοιχίσουν τις ροές και τις πιέσεις των ασθενών ήταν πολύ ενθαρρυντικό", λέει η Roche. "Δεν εκτυπώνουμε μόνο την ανατομία της καρδιάς, αλλά αναπαράγουμε επίσης τη μηχανική και τη φυσιολογία της. Αυτό είναι το κομμάτι για το οποίο ενθουσιαζόμαστε".

Πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα, η ομάδα είχε ως στόχο να αναπαράγει ορισμένες από τις επεμβάσεις στις οποίες υποβλήθηκε μια χούφτα ασθενών, για να δει αν η εκτυπωμένη καρδιά και το αγγείο ανταποκρίνονται με τον ίδιο τρόπο. Ορισμένοι ασθενείς είχαν υποβληθεί σε εμφυτεύματα βαλβίδων που είχαν σχεδιαστεί για να διευρύνουν την αορτή. Η Roche και οι συνάδελφοί της εμφύτευσαν παρόμοιες βαλβίδες στις εκτυπωμένες αορτές που είχαν ως πρότυπο κάθε ασθενή. Όταν ενεργοποίησαν την εκτυπωμένη καρδιά για να αντλήσει, παρατήρησαν ότι η εμφυτευμένη βαλβίδα παρήγαγε παρόμοια βελτιωμένη ροή όπως και σε πραγματικούς ασθενείς μετά τα χειρουργικά τους εμφυτεύματα.

Τέλος, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ενεργοποιημένη εκτυπωμένη καρδιά για να συγκρίνει εμφυτεύματα διαφορετικών μεγεθών, για να δει ποιο θα είχε ως αποτέλεσμα την καλύτερη εφαρμογή και ροή - κάτι που οραματίζονται ότι οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν ενδεχομένως να κάνουν για τους ασθενείς τους στο μέλλον.

"Οι ασθενείς θα έκαναν την απεικόνισή τους, την οποία κάνουν ούτως ή άλλως, και εμείς θα τη χρησιμοποιούσαμε για να φτιάξουμε αυτό το σύστημα, ιδανικά μέσα στην ημέρα", λέει ο συν-συγγραφέας Nguyen. "Μόλις λειτουργήσει, οι κλινικοί γιατροί θα μπορούσαν να δοκιμάσουν διαφορετικούς τύπους και μεγέθη βαλβίδων και να δουν ποιο λειτουργεί καλύτερα, και στη συνέχεια να το χρησιμοποιήσουν για την εμφύτευση".

Τελικά, η Roche λέει ότι τα ειδικά για τον ασθενή αντίγραφα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη και τον εντοπισμό ιδανικών θεραπειών για άτομα με μοναδικές και δύσκολες καρδιακές γεωμετρίες.

"Ο σχεδιασμός που περιλαμβάνει ένα μεγάλο εύρος ανατομιών και η δοκιμή παρεμβάσεων σε αυτό το εύρος μπορεί να αυξήσει τον πληθυσμό-στόχο που μπορεί να απευθυνθεί σε ελάχιστα επεμβατικές διαδικασίες", λέει η Roche.

Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας των ΗΠΑ και το Εθνικό Ινστιτούτο Καρδιάς Πνεύμονα Αίματος των ΗΠΑ.

Το επόμενο smartphone που θα έρθει από την πολύ γνωστή εταιρεία κινητής τηλεφωνίας, Nokia, είναι μια συσκευή που οι χρήστες μπορούν να επισκευάσουν μόνοι τους. Το Nokia G22, που αναπτύχθηκε από τον φινλανδικό κατασκευαστή HMD Global, είναι ένα τυπικό smartphone με οθόνη 6,5" και κύρια κάμερα 50 megapixel.

Αλλά είναι το εξωτερικό κέλυφος και το εσωτερικό του τηλεφώνου που το κάνουν ξεχωριστό. Το κινητό περιλαμβάνει μια ανακυκλώσιμη πλαστική πλάτη, η οποία μπορεί να αφαιρεθεί εύκολα για να αντικατασταθούν τα σπασμένα εξαρτήματα.

Οπλισμένος με εργαλεία και οδηγούς επισκευής από την εταιρεία iFixit που υποστηρίζει την επισκευή υλικού, ο χρήστης μπορεί να αφαιρέσει και να αντικαταστήσει το πίσω κάλυμμα του τηλεφώνου, την μπαταρία, την οθόνη και τη θύρα φόρτισης.

Ο Adam Ferguson, επικεφαλής του τμήματος μάρκετινγκ προϊόντων της HMD Global, δήλωσε ότι η διαδικασία αυτή θα κοστίζει κατά μέσο όρο 30% λιγότερο από την αντικατάσταση ενός παλιού τηλεφώνου με ένα καινούργιο.

Οι εταιρείες smartphone εργάζονται όλο και περισσότερο για να κάνουν τα τηλέφωνα να διαρκούν περισσότερο εν μέσω πιέσεων από τις ρυθμιστικές αρχές για να καταστήσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές πιο βιώσιμες. Οι νομοθέτες στο Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο, για παράδειγμα, ζητούν νομοθεσία που θα υποχρεώνει τους κατασκευαστές να δίνουν στους χρήστες το "δικαίωμα στην επισκευή". Το δικαίωμα στην επισκευή αναφέρεται σε μια κίνηση μεταξύ των ακτιβιστών για τα δικαιώματα των καταναλωτών, προκειμένου να διευκολυνθούν οι καταναλωτές να επισκευάζουν τις συσκευές τους. Η Πράσινη Νέα Συμφωνία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής επιδιώκει να μετατρέψει το μπλοκ σε μια λεγόμενη κυκλική οικονομία έως το 2050, καθιστώντας έτσι σχεδόν όλα τα υλικά αγαθά να μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν, να επισκευαστούν, να επαναχρησιμοποιηθούν ή να ανακυκλωθούν ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα απόβλητα.

Η επισκευή τηλεφώνων, ειδικότερα, έχει γίνει πιο περίπλοκη λόγω του πόσο σφιχτά σφραγίζονται η μπαταρία και άλλα εξαρτήματα με κόλλα.  Η Apple, η οποία ήταν επί μακρόν απρόθυμη να αλλάξει τις πολιτικές επισκευής της, αποφάσισε τον Νοέμβριο του 2021 να ξεκινήσει ένα πρόγραμμα επισκευής με αυτοεξυπηρέτηση, το οποίο επιτρέπει στους πελάτες να αγοράζουν ανταλλακτικά για να επιδιορθώνουν μόνοι τους τις συσκευές τους. Τον Δεκέμβριο, η κατασκευάστρια εταιρεία του iPhone επέκτεινε το πρόγραμμα αυτό σε οκτώ ευρωπαϊκές χώρες, όπως το Βέλγιο, η Γαλλία, η Γερμανία, η Ιταλία, η Πολωνία, η Ισπανία, η Σουηδία και το Ηνωμένο Βασίλειο.

"Καθώς οι καταναλωτές ζητούν όλο και περισσότερο πιο βιώσιμες και με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής συσκευές, η δυνατότητα εύκολης και οικονομικής επισκευής των smartphones θα αποτελέσει βασικό διαφοροποιητικό παράγοντα στην αγορά", δήλωσε ο Ben Wood, επικεφαλής αναλυτής της CCS Insight. Περίπου οι μισοί από τους κατόχους κινητών τηλεφώνων στην Ευρώπη θα επισκεύαζαν τη συσκευή τους εάν αυτή χάλαγε εκτός της περιόδου εγγύησης, δήλωσε ο Wood, επικαλούμενος την έρευνα της CSS Insight.

Υπάρχει ένα μειονέκτημα με το Nokia G22 - πληροί μόνο το κριτήριο IP52 για την αντοχή έναντι βλαβερών ουσιών, που σημαίνει ότι δεν είναι απρόσβλητο από ζημιές στο νερό, μιας και αυτό δε θα ήταν δυνατό να επιτευχθεί αυτό το χαρακτηριστικό στην τιμή του τηλεφώνου.

Το G22, το οποίο θα κυκλοφορήσει στο Ηνωμένο Βασίλειο στις 8 Μαρτίου, ξεκινά στην τιμή των £149,99 (€ 169,00). Τα ανταλλακτικά που μπορούν να αντικατασταθούν μπορούν να αγοραστούν μεμονωμένα από το iFixit. Για την μπαταρία θα κοστίσει £22,99 (€25,90), για την οθόνη £44,99 (€50,69)και για τη θύρα φόρτισης £18,99 (€21,40). Ο Ferguson δήλωσε ότι, κατά μέσο όρο, οι καταναλωτές θα πληρώσουν 30% λιγότερα για την αντικατάσταση των σπασμένων εξαρτημάτων τους από την αγορά ενός νέου τηλεφώνου.

Η Nokia δεν είναι η μόνη μάρκα κινητής τηλεφωνίας που αναπτύσσει smartphones με γνώμονα το περιβάλλον. Η ολλανδική εταιρεία Fairphone, για παράδειγμα, πωλεί μια σειρά τηλεφώνων που χρησιμοποιούν επισκευάσιμα και αντικαταστάσιμα εξαρτήματα.

Η Nokia, ο πάλαι ποτέ τιτάνας της βιομηχανίας κινητών τηλεφώνων, έχει από τότε περάσει σε δεύτερη μοίρα, καθώς οι γίγαντες των ηλεκτρονικών ειδών Samsung και Apple ανέβηκαν στην κορυφή της κατάταξης. Η εταιρεία είναι πλέον γνωστή κυρίως για τις τηλεπικοινωνιακές υποδομές που πωλούνται σε φορείς εκμετάλλευσης.

Η Nokia πούλησε τη δραστηριότητά της στον τομέα της κινητής τηλεφωνίας στη Microsoft έναντι 5,4 δισεκατομμυρίων ευρώ το 2014. Η μονάδα αγοράστηκε αργότερα από την HMD, η οποία δημιουργήθηκε από στελέχη της Nokia στη Φινλανδία, έναντι 350 εκατομμυρίων δολαρίων. Η Nokia λαμβάνει ένα royalty fee για κάθε τηλέφωνο που πουλάει η HMD.

Η HMD δήλωσε ότι σχεδιάζει επίσης να κατευθύνει περισσότερες κατασκευαστικές διαδικασίες των τηλεφώνων της στην Ευρώπη. Η εταιρεία δεν διευκρίνισε πού, επικαλούμενη λόγους ασφαλείας. Σε δελτίο τύπου, η εταιρεία δήλωσε ότι "αναπτύσσει δυνατότητες και διαδικασίες για να φέρει την παραγωγή συσκευών 5G Nokia στην Ευρώπη το 2023".

Η κίνηση αυτή υπογραμμίζει μια συνεχιζόμενη μετακίνηση από μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας των αλυσίδων εφοδιασμού τους μακριά από την Κίνα και άλλες χώρες της Ανατολικής Ασίας.

Η ηλιοθερμική τεχνολογία είναι μια πολλά υποσχόμενη φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος συλλογής ενέργειας με πιθανό ρόλο στην επίλυση της ενεργειακής κρίσης των ορυκτών καυσίμων.

Η τεχνολογία μετατρέπει το ηλιακό φως σε θερμική ενέργεια, αλλά είναι πρόκληση η καταστολή της διάχυσης ενέργειας με ταυτόχρονη διατήρηση της υψηλής απορρόφησης. Οι υπάρχουσες συσκευές συγκομιδής ηλιακής ενέργειας που βασίζονται στη μικρο- ή νανο- μηχανική δεν έχουν επαρκή επεκτασιμότητα και ευελιξία και θα απαιτηθεί μια νέα στρατηγική για τη δέσμευση του ηλιακού φωτός υψηλής απόδοσης με ταυτόχρονη απλούστευση της κατασκευής και μείωση του κόστους.

Στο APL Photonics, από την AIP Publishing, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Harbin, το Πανεπιστήμιο Zhejiang, το Ινστιτούτο Οπτικής Changchun και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης σχεδίασαν έναν ηλιακό συλλέκτη με βελτιωμένες δυνατότητες μετατροπής ενέργειας.

Η συσκευή χρησιμοποιεί ένα ημιπεριοδικό μοτίβο νανοκλίμακας - που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της είναι ένα εναλλασσόμενο και συνεπές μοτίβο, ενώ το υπόλοιπο τμήμα περιέχει τυχαίες ατέλειες (σε αντίθεση με μια νανοκατασκευασμένη δομή) που δεν επηρεάζουν την απόδοσή της. Στην πραγματικότητα, η χαλάρωση των αυστηρών απαιτήσεων για την περιοδικότητα της δομής αυξάνει σημαντικά την επεκτασιμότητα της συσκευής.

Η διαδικασία κατασκευής κάνει χρήση αυτοσυναρμολογούμενων νανοσωματιδίων, τα οποία σχηματίζουν μια οργανωμένη δομή υλικού με βάση τις αλληλεπιδράσεις τους με γειτονικά σωματίδια χωρίς εξωτερικές οδηγίες.

Η θερμική ενέργεια που συλλέγεται από τη συσκευή μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικά υλικά.

"Η ηλιακή ενέργεια μεταφέρεται ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων", δήλωσε ο συγγραφέας Ying Li του Πανεπιστημίου Zhejiang. "Ένας καλός ηλιοθερμικός συλλέκτης θα πρέπει να είναι σε θέση να απορροφήσει το κύμα και να θερμανθεί, μετατρέποντας έτσι την ηλιακή ενέργεια σε θερμική. Η διαδικασία απαιτεί υψηλή απορρόφηση (το 100% είναι τέλειο) και ένας ηλιακός συλλέκτης θα πρέπει επίσης να καταστέλλει τη θερμική ακτινοβολία του για να διατηρήσει τη θερμική ενέργεια, κάτι που απαιτεί χαμηλή θερμική εκπομπή (μηδέν σημαίνει καμία ακτινοβολία)".

Για την επίτευξη αυτών των στόχων, ένας συλλέκτης είναι συνήθως ένα σύστημα με περιοδική νανοφωτονική δομή. Ωστόσο, η ευελιξία και η επεκτασιμότητα αυτών των μονάδων μπορεί να είναι περιορισμένες λόγω της ακαμψίας του μοτίβου και του υψηλού κόστους κατασκευής.

"Σε αντίθεση με προηγούμενες στρατηγικές, η δική μας ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή αυτοσυναρμολογείται από νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (Fe₃O₄), αντί για μια δυσκίνητη και δαπανηρή νανοκατασκευή", δήλωσε ο Li.

Η ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή τους επιτυγχάνει υψηλή απορροφητικότητα (μεγαλύτερη από 94%), κατασταλμένη θερμική εκπομπή (μικρότερη από 0,2) και υπό φυσικό ηλιακό φωτισμό, ο απορροφητής διαθέτει γρήγορη και σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας (μεγαλύτερη από 80° C).

Με βάση τον απορροφητή, η ομάδα κατασκεύασε έναν εύκαμπτο επίπεδο ηλιακό θερμοηλεκτρικό συλλέκτη, ο οποίος πέτυχε σημαντική τάση διατήρησης άνω των 20 millivolts ανά τετραγωνικό εκατοστό. Αναμένουν ότι μπορεί να τροφοδοτήσει 20 διόδους εκπομπής φωτός ανά τετραγωνικό μέτρο ηλιακής ακτινοβολίας. Αυτή η στρατηγική μπορεί να εξυπηρετήσει εφαρμογές χαμηλής πυκνότητας ισχύος για πιο ευέλικτη και κλιμακούμενη μηχανική της συγκομιδής ηλιακής ενέργειας.

"Ελπίζουμε ότι η ημιπεριοδική νανοφωτονική δομή μας θα εμπνεύσει άλλες εργασίες", δήλωσε ο Li. "Αυτή η εξαιρετικά ευπροσάρμοστη δομή και η θεμελιώδης έρευνά μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση του ανώτερου ορίου της συγκομιδής ηλιακής ενέργειας, όπως οι ευέλικτες κλιμακούμενες ηλιακές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, οι οποίες μπορούν να χρησιμεύσουν ως βοηθητικό στοιχείο συγκομιδής ηλιακής ενέργειας για την αύξηση της συνολικής απόδοσης των φωτοβολταϊκών αρχιτεκτονικών".

Οι ερευνητές του EPFL συνεργάστηκαν με ερευνητές από το Harvard και του ETH της Ζυρίχης στη δημιουργία ενός νέου κυκλώματος λεπτής μεμβράνης που, όταν συνδέεται με μια δέσμη λέιζερ, παράγει κύματα συχνότητας TeraHertz. Η συσκευή αυτή ανοίγει έναν κόσμο πιθανών εφαρμογών στην οπτική και τις τηλεπικοινωνίες.

Ερευνητές με επικεφαλής την Cristina Benea-Chelmus στο Εργαστήριο Υβριδικής Φωτονικής (HYLAB) στη Σχολή Μηχανικών του EPFL έχουν κάνει ένα μεγάλο βήμα προς την επιτυχή εκμετάλλευση του αποκαλούμενου χάσματος terahertz, το οποίο κυμαίνεται μεταξύ περίπου 300 και 30.000 gigahertz (0,3 έως 30THz) στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Αυτή η περιοχή είναι επί του παρόντος κάτι σαν τεχνολογικά νεκρή ζώνη, καθώς περιγράφει συχνότητες που είναι πολύ γρήγορες για τις σημερινές ηλεκτρονικές και τηλεπικοινωνιακές συσκευές, αλλά πολύ αργές για εφαρμογές οπτικών και απεικόνισης.

Τώρα, χάρη σε ένα εξαιρετικά λεπτό τσιπ με ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα από νιοβικό λίθιο (lithium niobate), οι ερευνητές και οι συνάδελφοι της HYLAB στο ETH Ζυρίχης και το Πανεπιστήμιο του Harvard κατάφεραν όχι μόνο να παράγουν κύματα terahertz, αλλά να δημιουργήσουν μια λύση για την προσαρμογή της συχνότητάς τους σε μήκος κύματος, πλάτος και φάση.

Τέτοιος ακριβής έλεγχος της ακτινοβολίας terahertz σημαίνει ότι μπορεί πλέον να αξιοποιηθεί για εφαρμογές επόμενης γενιάς τόσο στον ηλεκτρονικό όσο και στον οπτικό τομέα. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Nature Communications.

«Βλέποντας τις συσκευές να εκπέμπουν ακτινοβολία με ιδιότητες που προκαθορίσαμε ήταν μια επιβεβαίωση ότι το μοντέλο μας ήταν σωστό», λέει μια από τους συγγραφείς, Alexa Herter, επί του παρόντος Ph.D. φοιτητής στο ETH Ζυρίχης.

«Αυτό κατέστη δυνατό χάρη στα μοναδικά χαρακτηριστικά των ολοκληρωμένων φωτονικών νιοβικού λιθίου», προσθέτει ο συν-πρωτογράφος Amirhassan Shams-Ansari, μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Πανεπιστήμιο του Harvard.

Η Benea-Chelmus εξηγεί ότι ενώ τέτοια κύματα terahertz έχουν παραχθεί σε εργαστηριακό περιβάλλον στο παρελθόν, οι προηγούμενες προσεγγίσεις βασίζονταν κυρίως σε χύδην κρυστάλλους για να δημιουργήσουν τις σωστές συχνότητες. Η χρήση του κυκλώματος νιοβικού λιθίου από το εργαστήριό της, με λεπτή χάραξη σε κλίμακα νανομέτρων από συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο του Harvard, κάνει τη νέα τους προσέγγιση πολύ πιο βελτιωμένη. Η χρήση υποστρώματος πυριτίου καθιστά επίσης τη συσκευή κατάλληλη για ενσωμάτωση σε ηλεκτρονικά και οπτικά συστήματα.

Το 2023, η πρόοδος στην κβαντική υπολογιστική θα καθοριστεί λιγότερο από μεγάλες ανακοινώσεις υλικού παρά από ερευνητές που ενοποιούν χρόνια σκληρής δουλειάς, κάνουν επεξεργαστές για να μιλήσουν μεταξύ τους και απομακρύνονται από την προσπάθεια να αρκεστούν στον θόρυβο καθώς το πεδίο γίνεται όλο και πιο διεθνής σε εμβέλεια.

Για χρόνια, ο κύκλος ειδήσεων της κβαντικής πληροφορικής κυριαρχούνταν από τίτλους σχετικά με συστήματα ρύθμισης αρχείων. Οι ερευνητές της Google και της IBM είχαν διαφωνίες για το ποιος πέτυχε τι και αν άξιζε τον κόπο. Αλλά ο καιρός για να διαφωνήσουμε για το ποιος έχει τον μεγαλύτερο επεξεργαστή φαίνεται να έχει παρέλθει: οι εταιρείες είναι απογοητευμένες και προετοιμάζονται την πραγματικότητα και επιτέλους φέρονται σαν ενήλικες.

Η IBM αναμένεται να ανακοινώσει έναν επεξεργαστή το 2023 που αναιρεί την τάση να τίθενται στο παιχνίδι ολοένα περισσότερα κβαντικά bit ή «qubits». Τα Qubits, οι μονάδες επεξεργασίας των κβαντικών υπολογιστών, μπορούν να κατασκευαστούν από μια ποικιλία τεχνολογιών, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, των παγιδευμένων ιόντων και των φωτονίων, των κβαντικών σωματιδίων του φωτός.

Η IBM επιδιώκει εδώ και καιρό την παραγωγή υπεραγώγιμών qubits και με τα χρόνια η εταιρεία σημειώνει σταθερή πρόοδο στην αύξηση του αριθμού που μπορεί να συσκευάσει σε ένα επεξεργαστή. Το 2021, για παράδειγμα, η IBM αποκάλυψε έναν επεξεργαστή με 127 από αυτά που έσπασαν ρεκόρ. Τον Νοέμβριο, έκανε το ντεμπούτο του επεξεργαστή Osprey με 433 qubit και η εταιρεία σκοπεύει να κυκλοφορήσει έναν επεξεργαστή με 1.121 qubit που ονομάζεται Condor το 2023.

Αλλά φέτος η IBM αναμένεται επίσης να κάνει το ντεμπούτο του επεξεργαστή Heron, ο οποίος θα έχει μόλις 133 qubits. Μπορεί να μοιάζει με ένα βήμα προς τα πίσω, αλλά όπως η εταιρεία θέλει να επισημάνει, τα qubits του Heron θα είναι της υψηλότερης ποιότητας. Και, πολύ σημαντικό, κάθε τσιπ θα μπορεί να συνδεθεί απευθείας με άλλους επεξεργαστές Heron, προαναγγέλλοντας μια στροφή από τα μεμονωμένα τσιπ κβαντικών υπολογιστών σε «αρθρωτούς» κβαντικούς υπολογιστές κατασκευασμένους από πολλούς επεξεργαστές συνδεδεμένους μεταξύ τους – μια κίνηση που αναμένεται να βοηθήσει τους κβαντικούς υπολογιστές να αυξήσουν την συνολική ισχύ τους.

Ο Heron δίνει το σήμα για μεγαλύτερες, δομικές αλλαγές στον κλάδο των κβαντικών υπολογιστών. Χάρη σε ορισμένες πρόσφατες ανακαλύψεις, την επιθετική στοχοθέτηση και τα υψηλά επίπεδα χρηματοδότησης, μπορεί να δούμε κβαντικούς υπολογιστές γενικής χρήσης νωρίτερα από ό,τι πολλοί θα περίμεναν πριν από λίγα χρόνια. «Συνολικά, τα πράγματα σίγουρα προχωρούν με γρήγορους ρυθμούς», λέει ο Michele Mosca, αναπληρωτής διευθυντής του Ινστιτούτου Κβαντικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Βατερλό.

Εχθές ήταν η μέρα όπου όλοι οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος ήταν ορατοί ταυτόχρονα (ναι, εκτός από τη Γη για τους εξυπνάκηδες). Είναι μια μεγάλη ευκαιρία για τους ερασιτέχνες αστρονόμους να μπορούν να δουν τη σπάνια θέα όλων των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος (εκτός από τη Γη, είπαμε) μαζί στον ουρανό. Ο Ερμής, η Αφροδίτη, ο Άρης, ο Δίας και ο Κρόνος είναι σήμερα ορατοί ταυτόχρονα με γυμνό μάτι. Οι δύο εξώτατοι πλανήτες, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, μπορούν εν τω μεταξύ να παρατηρηθούν με κιάλια ή τηλεσκόπιο.

Για να γιορτάσει αυτή την εξαιρετική ευκαιρία παρακολούθησης του ουρανού, το Virtual Telescope Project φιλοξενεί μια δωρεάν "μεγάλη περιήγηση στο ηλιακό σύστημα". Η περιήγηση αυτή ήταν σε ζωντανή μετάδοση από τις 12:30 μ.μ. EST (1730 GMT) εχθές 28 Δεκεμβρίου.

Οι πέντε πλανήτες που είναι ορατοί με γυμνό μάτι - η Αφροδίτη, ο Ερμής, ο Κρόνος, ο Δίας και ο Άρης, με αυτή τη σειρά - θα ευθυγραμμιστούν στον ουρανό ξεκινώντας από τον νοτιοδυτικό ορίζοντα. Ο Ερμής, ο μικρότερος πλανήτης του ηλιακού συστήματος, θα είναι δύσκολο να τον δει κανείς με το μάτι, αλλά δεν είναι αδυνατό αν η φωτορύπανση είναι σε ανεκτά επίπεδα.

Ο Ουρανός, ορατός μόνο με κιάλια ή τηλεσκόπιο, μπορεί να βρεθεί μεταξύ του Άρη και του Δία, ενώ ο Ποσειδώνας θα είναι ορατός μέσω της οπτικής μεταξύ του Κρόνου και του Δία.

Ο Gianluca Masi, αστρονόμος του Virtual Telescope Project, λέει ότι ενώ η εμφάνιση όλων των άλλων πλανητών να είναι ορατοί δεν είναι ιδιαίτερα σπάνια, δημιουργεί μια εντυπωσιακή ευκαιρία παρακολούθησης του ουρανού. "Συμβαίνει κατά καιρούς, αλλά είναι πάντα ένα εντυπωσιακό θέαμα", είπε ο Masi στο Newsweek.

Τέτοιες «μεγάλες περιοδείες» γίνονται περίπου κάθε ένα με δύο χρόνια, κατά μέσο όρο. Τον Ιούνιο του 2022, οι παρατηρητές του ουρανού είδαν πέντε πλανήτες – τον Ερμή, την Αφροδίτη, τον Άρη, τον Δία και τον Κρόνο – που ήταν διατεταγμένοι σε μια σπάνια ευθυγράμμιση που δεν είχε συμβεί από το 1864.

Σαν σήμερα πριν από πενήντα χρόνια, οι αστροναύτες στο Apollo 17, το τελευταίο πλήρωμα αποστολής της NASA στη Σελήνη, τράβηξαν μια εμβληματική φωτογραφία του πλανήτη μας. Η εικόνα έγινε γνωστή ως Blue Marble (Μπλε βώλος)—η πρώτη πλήρως φωτισμένη εικόνα της Γης, έγχρωμη, που τραβήχτηκε από άνθρωπο.

Τώρα, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει εκ νέου αυτήν την εικόνα κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής λειτουργίας ενός ψηφιακού κλιματικού μοντέλου. Το μοντέλο μπορεί να προσομοιώσει κλιματικά φαινόμενα, όπως καταιγίδες και δίνες των ωκεανών, σε ανάλυση 1 χιλιομέτρου, έως και 100 φορές πιο ευκρινή από τις τυπικές προσομοιώσεις παγκοσμίως.

Για να αναδημιουργήσουν τους στροβιλιζόμενους ανέμους του Blue Marble —συμπεριλαμβανομένου ενός κυκλώνα πάνω από τον Ινδικό Ωκεανό— οι ερευνητές τροφοδότησαν μετεωρολογικά αρχεία από το 1972 στο λογισμικό που τροφοδοτείται από υπερυπολογιστή. Ο κόσμος που προέκυψε αιχμαλώτισε χαρακτηριστικά γνωρίσματα της περιοχής, όπως η ανύψωση των νερών στα ανοικτά των ακτών της Ναμίμπια και η μακρά, νεφοκάλυψη.

Οι ειδικοί λένε ότι το εγχείρημα υπογραμμίζει την αυξανόμενη πολυπλοκότητα των κλιματικών μοντέλων υψηλής ανάλυσης. Αυτά αναμένεται να αποτελέσουν τον πυρήνα του έργου Destination Earth της Ευρωπαϊκής Ένωσης, το οποίο στοχεύει στη δημιουργία ενός «ψηφιακού δίδυμου» της Γης για την καλύτερη πρόβλεψη ακραίων καιρικών συνθηκών και δημιουργία σχεδίων προετοιμασίας.

Φυσικοί φέρεται να έχουν δημιουργήσει την πρώτη σκουληκότρυπα, ένα είδος σήραγγας που θεωρητικοποιήθηκε το 1935 από τον Albert Einstein και τον Nathan Rosen που οδηγεί από το ένα μέρος στο άλλο περνώντας σε μια επιπλέον διάσταση του διαστήματος.

Η σκουληκότρυπα αναδύθηκε σαν ολόγραμμα από κβαντικά bits πληροφοριών ή «qubits», αποθηκευμένα σε μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα. Με το χειρισμό των qubits, οι φυσικοί έστειλαν στη συνέχεια πληροφορίες μέσω της σκουληκότρυπας, ανέφερε σήμερα στο περιοδικό Nature.

Η ομάδα, με επικεφαλής τη Maria Spiropulu του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, εφάρμοσε το νέο «πρωτόκολλο τηλεμεταφοράς σκουληκότρυπας» χρησιμοποιώντας τον κβαντικό υπολογιστή της Google, μια συσκευή που ονομάζεται Sycamore που στεγάζεται στο Google Quantum AI στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια. Με αυτό το πρώτο στο είδος του «πείραμα κβαντικής βαρύτητας σε ένα τσιπ», όπως το περιέγραψε η Spiropulu, εκείνη και η ομάδα της κέρδισαν μια ανταγωνιστική ομάδα φυσικών που στοχεύουν να κάνουν τηλεμεταφορά σκουληκότρυπας με τους κβαντικούς υπολογιστές της IBM και της Quantinuum.

Όταν η Spiropulu είδε την υπογραφή-κλειδί που έδειχνε ότι τα qubits περνούσαν μέσα από τη σκουληκότρυπα, είπε: «Ταράχτηκα».

Το πείραμα μπορεί να θεωρηθεί ως απόδειξη για την "Αρχή της Ολογραφίας", μια σαρωτική υπόθεση για το πώς οι δύο πυλώνες της θεμελιώδους φυσικής, η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα, ταιριάζουν μεταξύ τους. Οι φυσικοί προσπάθησαν από τη δεκαετία του 1930 να συμβιβάσουν αυτές τις ασύνδετες θεωρίες - η μία, ένα βιβλίο κανόνων για τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια, η άλλη, η περιγραφή του Αϊνστάιν για το πώς η ύλη και η ενέργεια στρεβλώνουν τον χωροχρονικό ιστό, δημιουργώντας βαρύτητα. Η "Αρχή της Ολογραφίας", η οποία έχει αρχίσει και τυγχάνει αποδοχής από τη δεκαετία του 1990, θέτει μια μαθηματική ισοδυναμία ή «δυαδικότητα» μεταξύ των δύο πλαισίων. Λέει ότι το άκαμπτο χωροχρονικό συνεχές που περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα είναι πραγματικά ένα κβαντικό σύστημα μεταμφιεσμένων σωματιδίων. Ο χωροχρόνος και η βαρύτητα προκύπτουν από τα κβαντικά εφέ όπως ένα τρισδιάστατο ολόγραμμα προβάλλεται από ένα 2D σχέδιο.

Πράγματι, το νέο πείραμα επιβεβαιώνει ότι τα κβαντικά φαινόμενα, του τύπου που μπορούμε να ελέγξουμε σε έναν κβαντικό υπολογιστή, μπορούν να προκαλέσουν ένα φαινόμενο που αναμένουμε να δούμε στη σχετικότητα - μια σκουληκότρυπα. Το εξελισσόμενο σύστημα των qubits στο κβαντικό υπολογιστή Sycamore «έχει αυτή την πραγματικά ενδιαφέρουσα εναλλακτική περιγραφή», είπε ο John Preskill, ένας θεωρητικός φυσικός στο Caltech που δεν συμμετείχε στο πείραμα. «Μπορείτε να σκεφτείτε το σύστημα σε μια πολύ διαφορετική γλώσσα ως βαρυτικό».

Για να είμαστε σαφείς, σε αντίθεση με ένα συνηθισμένο ολόγραμμα, η σκουληκότρυπα δεν είναι κάτι που μπορούμε να δούμε. Ενώ μπορεί να θεωρηθεί «ένα νήμα του πραγματικού χωροχρόνου», σύμφωνα με τον συν-συγγραφέα Daniel Jafferis από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, κύριο δημιουργό του πρωτοκόλλου τηλεμεταφοράς σκουληκότρυπας, δεν είναι μέρος της ίδιας πραγματικότητας που ζούμε εμείς και ο υπολογιστής Sycamore. Η ολογραφική αρχή λέει ότι οι δύο πραγματικότητες - αυτή με τη σκουληκότρυπα και αυτή με τα qubits - είναι εναλλακτικές εκδοχές της ίδιας φυσικής, αλλά το πώς να συλλάβει κανείς αυτό το είδος δυαδικότητας παραμένει μυστήριο.

Οι απόψεις θα διίστανται σχετικά με τις θεμελιώδεις επιπτώσεις του αποτελέσματος. Το σημαντικό είναι ότι η ολογραφική σκουληκότρυπα στο πείραμα αποτελείται από ένα διαφορετικό είδος χωροχρόνου από τον χωροχρόνο του σύμπαντος μας. Είναι αμφισβητήσιμο αν το πείραμα προωθεί την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος που κατοικούμε είναι επίσης ολογραφικός, διαμορφωμένος από κβαντικά bit.

Οι ερευνητές της Disney δημιούργησαν ένα νέο νευρωνικό δίκτυο που μπορεί να αλλάξει την ηλικία των ηθοποιών στην τηλεόραση ή τον κινηματογράφο, αναφέρει το Gizmodo. Η τεχνολογία θα επιτρέψει στους παραγωγούς τηλεόρασης ή ταινιών να κάνουν τους ηθοποιούς να φαίνονται μεγαλύτεροι ή νεότεροι χρησιμοποιώντας μια αυτοματοποιημένη διαδικασία που θα είναι λιγότερο δαπανηρή και χρονοβόρα από προηγούμενες μεθόδους.

Παραδοσιακά, όταν το προσωπικό των ειδικών εφέ σε μια παραγωγή βίντεο ή ταινίας χρειάζεται να κάνει έναν ηθοποιό να φαίνεται μεγαλύτερος ή νεότερος (μια τεχνική που η Disney αποκαλεί "επανα-γήρανση" - re-aging), συνήθως χρησιμοποιεί μια διαδικασία τρισδιάστατης σάρωσης και μοντελοποίησης 3D ή 2D καρέ-καρέ ψηφιακού ρετούς του προσώπου του ηθοποιού χρησιμοποιώντας εργαλεία παρόμοια με το Photoshop. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει εβδομάδες ή περισσότερο, ανάλογα με τη διάρκεια της εργασίας.

Αντίθετα, η νέα τεχνική AI της Disney, που ονομάζεται Face Re-aging Network (FRAN), αυτοματοποιεί τη διαδικασία. Η Disney την αποκαλεί «την πρώτη πρακτική, πλήρως αυτόματη και έτοιμη για παραγωγή μέθοδο για την εκ νέου γήρανση προσώπων σε εικόνες βίντεο».

Για να δημιουργήσουν το FRAN, οι ερευνητές της Disney δημιούργησαν τυχαία χιλιάδες παραδείγματα τεχνητά ηλικιωμένων προσώπων μεταξύ 18 και 85 ετών χρησιμοποιώντας το StyleGAN2. Με αυτά τα δεδομένα εκπαίδευσης στα χέρια, η FRAN έμαθε γενικές αρχές για το πώς αλλάζει η εμφάνιση ενός ατόμου με την ηλικία. Τώρα που η εκπαίδευση έχει ολοκληρωθεί, μπορεί να εφαρμόσει αυτές τις αρχές γήρανσης σε έναν πραγματικό ηθοποιό σε κίνηση, καρέ προς καρέ.

«Το δίκτυό μας εκπαιδεύεται με εποπτευόμενο τρόπο σε ένα μεγάλο αριθμό ζευγών εικόνων προσώπου που δείχνουν το ίδιο συνθετικό και φωτορεαλιστικό άτομο, με ετικέτα την αντίστοιχη πηγή και την ηλικία-στόχο», έγραψαν οι ερευνητές σε αντίστοιχη ακαδημαϊκή εργασία. Δημιουργώντας τα δεδομένα εκπαίδευσης συνθετικά, παρέκαμψαν το «φαινομενικά αδύνατο έργο» της συλλογής εικόνων που απεικονίζουν «μια ποικιλία ταυτοτήτων, ηλικιών και εθνοτήτων σε διαφορετικές απόψεις».

Το αποτέλεσμα είναι αυτό που η Disney αποκαλεί λύση «production ready»—που σημαίνει ότι δημιουργεί αρκετά υψηλής ποιότητας αποτελέσματα για χρήση σε πραγματική ταινία ή τηλεοπτική εκπομπή. Είναι ίσως η πρώτη λύση τεχνητής νοημοσύνης στο είδος της που μπορεί να αλλάξει δυναμικά την ηλικία ενός ηθοποιού στο βίντεο παρά τις μεταβλητές εκφράσεις, τις συνθήκες φωτισμού και τις οπτικές γωνίες. Οι ερευνητές ανέπτυξαν επίσης μια φιλική προς τον χρήστη διεπαφή για το FRAN που θα επιτρέπει στους καλλιτέχνες να χρησιμοποιούν εύκολα το εργαλείο σε περιβάλλον παραγωγής.

Η Disney παρουσίασε την έρευνα σε μια εργασία με τίτλο "Production-Ready Face Re-Aging for Visual Effects" την Τετάρτη και την υπέβαλε για συμπερίληψη στο συνέδριο ACM SIGGRAPH Asia 2022 τον Δεκέμβριο. Στους συγγραφείς της εργασίας περιλαμβάνονται οι Gaspard Zoss, Prashanth Chandran, Ευτύχιος Σηφάκης, Markus Gross, Paulo Gotardo και Derek Bradley, όλοι συνδεδεμένοι με τα Disney Research Studios στη Ζυρίχη της Ελβετίας.

Λαμβάνοντας υπόψη την ιστορία της Disney με την εισαγωγή ηθοποιών που δημιουργούνται από υπολογιστή σε ταινίες και τηλεοπτικές εκπομπές του Star Wars, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που έχουν ξεπεραστεί χρησιμοποιώντας CGI, δεν θα εκπλαγούμε αν δούμε τεχνολογία παρόμοια με το FRAN να χρησιμοποιείται ευρέως σε μελλοντικές παραγωγές της Disney, αν και δεν υπάρχουν ακόμα σχέδια για κάτι τέτοιο.