Цифровой фитиль передаёт данные в спектре пламени
Скрещивание информационных технологий с химией и физикой дало любопытный результат. Учёные передали кодированную цифровую информацию необычным способом: при помощи света, но без применения каких-либо электронных чипов и даже источников питания. Прекрасное дополнение к будущим логическим схемам без электроники.
Небольшая полоска «бумаги», спичка – и вот уже яркий бегущий огонёк сжигает образец. Происходит это быстро, так что трудно заметить в пламени что-либо необычное. Между тем сгоревший «реквизит» успел отправить «в эфир» небольшой текст.
Результаты такого необычного эксперимента изложила в PNAS группа учёных во главе с Джорждем Уайтсайдесом (George Whitesides) из Гарварда, в неё входили также специалисты из университета Тафтса (Tufts University) и агентства по передовым оборонным исследованиям Пентагона DARPA.
Секрет передачи информации, конечно, заключается в самой полоске, которую исследователи называли инфофитиль (infofuse). Придумал его Сэмюэль Томас (Samuel Thomas III), работая над проектом в лаборатории Уайтсайдеса (Whitesides Research Group).
В основе фитиля — ярко сгорающая полоска из нитроцеллюлозы (температура пламени – тысяча градусов Цельсия). На ней расположены невидимые глазу небольшие участки, покрытые солями различных металлов высокой чистоты.
По мере сгорания активируются химические реакции с участием их ионов, и полоска испускает свет с различными длинами волн в зависимости от состава того или иного участка.
Специальная схема шифрования позволила экспериментаторам закодировать в пламени весь алфавит, все цифры и несколько знаков препинания, чего было достаточно для составления посланий.
Принцип шифрования таков: на каждый символ приходятся два так называемых импульса. В каждом из них – три соседствующих участка, представляющих три металла (это были литий, рубидий и цезий, но можно применять другие тройки).
Соль металла можно нанести на данный участок, или вместо неё может быть оставлен пробел.
Соответственно, вспышка на фиксированной частоте излучения означает бинарную единицу, пауза – ноль. Всех возможных комбинаций, то есть двоичных шестиразрядных чисел, более чем достаточно, чтобы закодировать всё что требуется.
Скорость сгорания инфофитиля составила примерно 3-4 сантиметра в секунду. «Примерно», поскольку авторы опыта сделали несколько образцов этих полосок, различающихся размерами. Ширина закодированных участков была такова, что вспышки следовали с частотой от 5 до 20 герц.
Чтобы их расшифровать, новаторы применили набор из фильтров, линз, дихроичных зеркал и фотодетекторов, подключённых к компьютеру. Параллельно сгорание полосок снималось на высокоскоростную (1000 кадров в секунду) цветную камеру.
Закодировав таким способом последовательность букв, учёные передали при помощи одного из своих фитилей фразу «Смотри мама, без электричества» (Look Mom, No Electricity), на что ушло менее 4 секунд горения фитиля.
В принципе, данная технология способна передавать и куда более ёмкие послания, даже без увеличения длины инфофитиля. Применение чувствительных спектрографов или более сложной системы фильтров и зеркал приведёт к расширению списка применяемых одновременно металлов, а значит – поможет усложнить код.
Только представьте, что разрешение такой «съёмки» позволит надёжно идентифицировать излучение от меди, бария, натрия, лития, стронция, кальция, калия, рубидия и цезия… Да и частоту вспышек можно увеличить.
Авторы системы называют данную область науки инфохимией. «Клетки общаются с помощью химических сигналов, и мы заинтересованы в сокращении разрыва между такого рода химическими системами связи и цифровой связью, на которой основана наша техническая инфраструктура», — поясняет Томас важность разработки. А Уайтсайдес добавляет: «Опыт свидетельствует о возможности прямого бинарного химического кодирования и передачи полезной информации, причём без батареи».
Исследователи надеются, что их прототип поможет построить системы, пересылающие информацию в тяжёлых условиях, в которых электроника и батареи не работают. А на такой базе можно создавать необычные датчики окружающей среды и другие устройства.
Но что будет от них толку, если не получится выявить зашифрованное послание на большом расстоянии?
В данных опытах дистанция между полоской вспыхивающего полимера и детекторами в основном составляла пару метров, но учёные продемонстрировали, что могут надёжно идентифицировать свои послания с расстояния в 30 метров даже при ярком дневном свете. Да и 300 метров – возможны, утверждают экспериментаторы. При этом масса солей в «пятнышках» составляла по 200 пикограммов (полоски наносились как микропипеткой, так и струйным принтером).
Причина такой устойчивости передачи – превосходное отношение сигнал/шум, то есть чёткое отличие на спектре пиков, происходящих от самой нитроцеллюлозы и от «кодирующих» буквы и цифры металлов.
А ведь неиспользованными остаются ещё дополнительные «измерения» кодирования, радуются исследователи: при помощи вариации ширины полосок и массы солей в каждой из них, то есть яркости узкочастотной вспышки (наложенной на обычное пламя от полоски) и её продолжительности.
По словам Томаса, группа работает над удлинением инфофитилей и вкладыванием в них более сложных посланий, которые к тому же можно будет расшифровывать с большей дистанции.
К примеру, «цифровыми» могут стать сигнальные ракеты, запускаемые в небо во время бедствия. Вместо простого обозначения места крушения последовательность вспышек может нести сведения о корабле (лодке, человеке), пославшем сигнал. Эту информацию мог бы прочесть несложный прибор на самолёте спасателей.
А ведь без применения электроники ещё можно выстраивать и не слишком сложные логические схемы, полагаясь лишь на «умные» цепочки химических или даже биохимических реакций.
Мысленно соединим такие схемы с цифровыми фитилями. Получится аппаратура, способная собирать информацию из окружающей среды и передавать результаты анализа на большое расстояние. Без микросхем. Без радиопередатчиков. Без батареек. Заманчиво?
Свежие комментарии