Connect with us

science

Des chercheurs fabriquent des batteries périphériques robotiques miniatures

Published

on

Des chercheurs fabriquent des batteries périphériques robotiques miniatures
Communication Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41467-022-33358-x » width= »800″ height= »434″/>

Comparaison de la structure des écosystèmes microbiens marins et d’une batterie océanique robotique miniature. Les deux systèmes ont la même structure physique (couche de colonne d’eau et couche de sédiments) et la même structure environnementale (producteurs primaires, décomposeurs primaires et consommateurs finaux). Les écosystèmes microbiens marins sont immenses avec une profondeur moyenne de plus de 4 000 m, tandis qu’une batterie électronique océanique miniature a été compressée dans un vaisseau de 5 cm de profondeur, accélérant ainsi le flux d’électrons en raccourcissant la distance de transfert d’électrons. Dans les écosystèmes microbiens marins, en particulier dans les sédiments anaérobies, des espèces microbiennes très diverses et leurs interactions complexes font que le flux d’électrons se disperse dans différents processus biogéochimiques à médiation microbienne, c’est-à-dire les cycles primaires. En revanche, une batterie électronique océanique miniature fabriquée à l’aide de la communauté synthétique ne contient que quatre espèces microbiennes reliées par des vecteurs énergétiques spécifiques. Cette structure simplifiée dirige délibérément les électrons vers la seule cible, le courant électrique. lui attribue : Communication Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41467-022-33358-x

Des chercheurs de l’Institut de microbiologie de l’Académie chinoise des sciences ont mis au point une batterie océanique robotisée miniature, une cellule biosolaire qui convertit la lumière en électricité, en simulant la structure écologique de base des écosystèmes microbiens marins. Cette étude a été publiée dans Communication Nature.


Les océans couvrent environ 70 % de la surface de la Terre. D’un point de vue énergétique, écosystèmes marins Il s’agit d’un système de bioconversion solaire massif où les processus de conversion d’énergie sont dominés par des micro-organismes.

Conversion d’énergie en mer Écosystèmes Cela commence par la photosynthèse. Les micro-organismes de la photosynthèse, appelés producteurs primaires, situés dans la région euphotique de la colonne d’eau, absorbent l’énergie solaire et convertissent les photons en électrons qui servent à fixer le dioxyde de carbone dans matière organique. La matière organique est consommée en partie par le plancton vivant dans la colonne d’eau et en partie déposée dans les sédiments marins où des micro-organismes anaérobies ou strictement anaérobies extraient la matière organique complexe en dioxyde de carbone par oxydation successive.

Les micro-organismes présents dans les sédiments marins peuvent être divisés en deux groupes. Un groupe, appelé décomposeurs primaires, est responsable de la décomposition de la matière organique complexe en composés organiques simples ; L’autre groupe, appelé consommateurs finaux, est responsable de l’oxydation complète de composés organiques simples et de la libération d’électrons pour la réduction biologique d’éléments tels que l’azote, le fer, le manganèse et le soufre. En fixant le carbone photosynthétique et en minéralisant la matière organique, les écosystèmes microbiens marins utilisent l’énergie solaire pour piloter les cycles biogéochimiques.

Vus de l’espace extra-atmosphérique, les écosystèmes microbiens marins dotés d’une fonction de conversion photoélectrique peuvent être considérés comme une « batterie océanique » massive chargée par l’énergie solaire. Cependant, la distribution spatiale et temporelle des micro-organismes dans les écosystèmes marins est énorme, le transfert d’électrons est lent et lent, et donc l’efficacité de conversion photoélectrique est faible. Les chercheurs ont suggéré qu’il est possible de développer une batterie périphérique à compression temporelle avec une efficacité énergétique considérablement améliorée.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont extrait la structure de base des écosystèmes microbiens marins. Ils ont conçu et construit une communauté microbienne synthétique composée du produit primaire (cyanobactéries), de la solution initiale (Escherichia coli) et des consommateurs finaux (Shewanella oneidensis et Geobacter sulfurreducens) pour la conversion photoélectrique.

Dans cette communauté microbienne artificielle, les cyanobactéries modifiées sont capables de synthétiser le saccharose à partir du dioxyde de carbone en utilisant l’énergie lumineuse et de stocker l’énergie lumineuse dans le saccharose ; L’Escherichia coli modifié est responsable de la dégradation du saccharose en lactate ; S. oneidensis et G. sulfurreducens oxydent complètement le lactate en Le dioxyde de carbone Par oxydation successive et transfert d’électrons vers les électrodes à l’extérieur de la cellule pour générer un courant électrique, convertissant ainsi l’énergie lumineuse en électricité.

Les chercheurs ont montré que la communauté microbienne à quatre espèces était nettement plus performante que la communauté à trois espèces sans G. sulfurreducens et que la communauté à deux espèces sans E. coli et G. La structure écologique complète des écosystèmes microbiens marins est essentielle pour obtenir une conversion photoélectrique efficace. . La densité d’énergie maximale pour cette communauté microbienne de quatre espèces était de 1,7 W/m2qui est d’un ordre de grandeur supérieur au système PV à deux types rapporté par les auteurs dans des travaux antérieurs (Zhu et al, Communication Nature2019, 10:4282).

Les chercheurs ont en outre découvert que l’oxygène produit par les cyanobactéries lors de la photosynthèse permettait la respiration aérobie d’Escherichia coli et de S. oneidensis, et que l’oxygène empêchait la génération d’électricité par les performances globales de S. oneidensis et G.. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont bloqué la voie respiratoire aérobie d’Escherichia coli et de S. oneidensis. Ils ont développé un hydrogel conducteur avec des propriétés de barrière à l’oxygène. Un hydrogel conducteur a été utilisé pour encapsuler E. coli, S. oneidensis et G. sulfurreducens pour former une couche sédimentaire diélectrique artificielle en oxygène capable de transfert d’électrons.

En assemblant une couche de sédiments artificiels contenant le décomposeur primaire (E. coli) et les consommateurs finaux (S. oneidensis et G. sulfurreducens) avec une couche de colonne d’eau contenant un produit primaire (cyanobactérie), les chercheurs ont finalement assemblé une cellule biosolaire intégrée. convertit directement la lumière en électricité pendant plus d’un mois.

Cette biocellule solaire simule la structure physique de base et la structure écologique d’une batterie océanique, avec l’échelle spatio-temporelle fortement comprimée et le nombre d’espèces au minimum, et peut donc être considérée comme une batterie océanique électronique miniature.

Cette étude démontre qu’une communauté microbienne artificielle spatio-temporelle et miniature peut reproduire la fonction de conversion photoélectrique des écosystèmes microbiens marins. La énergie L’efficacité de cette batterie électronique océanique est supérieure à celle des écosystèmes marins en raison du dépassement du modèle de transfert d’électrons lent et en forme de grille.

Le développement de batteries électroniques miniatures océaniques améliore l’efficacité des cellules photovoltaïques et ouvre une nouvelle voie pour le développement de cellules biosolaires efficaces et stables. Cette étude démontre également le potentiel de la biotechnologie pour l’écologie synthétique.


Des scientifiques développent un nouveau système photovoltaïque


Plus d’information:
Huawei Zhu et al, une mini batterie océanique robotique qui simule l’architecture des écosystèmes microbiens marins, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41467-022-33358-x

la citation: Researchers Make Miniature Electronic Peripheral Battery (30 septembre 2022) Extrait le 30 septembre 2022 de https://phys.org/news/2022-09-fabricate-miniaturized-bionic-ocean-battery.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Nonobstant toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif uniquement.

READ  Proposition d'utiliser un petit vaisseau spatial pour renvoyer plus d'échantillons de la Lune - parabole
Continue Reading
Click to comment

Leave a Reply

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

science

Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

Published

on

Une nouvelle étude au sol suggère que la gravité peut exister sans masse : ScienceAlert

Qu’est-ce que la gravité sans la masse ? les deux Newton révolutionnaire Les lois décrivant son effet global et la proposition d’Einstein d’espace-temps alvéolé, nous pensions que la gravité se situe exclusivement dans le domaine de la matière.

Aujourd’hui, une nouvelle étude folle suggère que la gravité peut exister sans masse, éliminant ainsi le besoin de l’une des substances les plus insaisissables de notre univers : la matière noire.

La matière noire est une masse hypothétique et invisible qui représenterait 85 % de la masse totale de l’univers. Créé à l’origine pour Calculer les galaxies Bien qu’ils restent ensemble sous une rotation à grande vitesse, ils n’ont pas encore été observés directement, ce qui a conduit les physiciens à suggérer toutes sortes de phénomènes. Des idées là-bas Pour éviter de qualifier ce matériau insaisissable de moyen de combler les lacunes des théories existantes.

La dernière démonstration dans ce contexte vient de l’astrophysicien Richard Liu de l’Université d’Alabama à Huntsville, qui a proposé qu’au lieu que la matière noire maintienne les galaxies et autres objets ensemble, l’univers… Peut contenir de fines couches de « défauts topologiques » ressemblant à une croûte Ce qui conduit à la gravité sans aucune masse fondamentale.

Leo a commencé à essayer de trouver une autre solution au problème Les équations du champ d’EinsteinCe qui relie la courbure de l’espace-temps à la présence de matière en son sein.

Comme Einstein l’a décrit dans sa théorie en 1915 Relativité généraleL’espace-temps entoure des faisceaux de matière et des flux de rayonnement dans l’univers, en fonction de leur énergie et de leur élan. Cette énergie est bien entendu liée à la masse dans la célèbre équation d’Einstein : E=mc2.

READ  Nanomatériaux auto-assemblés pour une fabrication durable

Ainsi, la masse d’un objet est liée à son énergie, ce qui conduit à la courbure de l’espace-temps – et cette courbure de l’espace-temps est Ce qu’Einstein a décrit comme la gravitéC’est un degré plus complexe que l’approximation de la gravité de Newton au XVIIe siècle. Force entre deux objets de masse. En d’autres termes, la gravité semble être étroitement liée à la masse.

Ce n’est pas le cas, dit Liu.

Dans son travail, Liu a entrepris de résoudre une version simplifiée des équations de champ d’Einstein qui permettent une force gravitationnelle finie en l’absence de toute masse détectable. il Il dit Ses efforts étaient « motivés par ma frustration face au statu quo, c’est-à-dire l’idée que la matière noire existe malgré l’absence de toute preuve directe depuis un siècle entier ».

La solution de Liu consiste en des défauts topologiques en forme de coquille qui peuvent se produire dans des régions très comprimées de l’espace avec une très haute densité de matière.

Ces groupes de coquilles concentriques contiennent une fine couche de masse positive nichée à l’intérieur d’une couche externe de masse négative. Les deux masses s’annulent, la masse totale des deux couches est donc exactement nulle. Mais lorsqu’une étoile tombe sur cette croûte, elle est exposée à une grande force gravitationnelle qui la tire vers le centre de la croûte.

« Ce que mon article prétend, c’est que les obus qu’il suppose sont au moins sans masse », a déclaré Liu. Il dit. Si ces suggestions controversées ont un quelconque poids, « alors il n’est pas nécessaire de perpétuer cette recherche apparemment sans fin de la matière noire ». Ajouter.

READ  Les scientifiques fournissent les premières observations sur le terrain de l'extraction du carbone des coccolithophores

La question suivante est alors de savoir comment confirmer ou infirmer les coquilles proposées par Liu à travers des observations.

« La fréquence croissante des observations d’anneaux et de formations semblables à des galaxies dans l’univers fournit une preuve du type de source proposé ici. » Il écrit dans son journal. Bien qu’il admette que la solution qu’il propose est « très suggestive » et ne peut à elle seule réfuter l’hypothèse de la matière noire.

« Cela peut être au mieux un exercice intéressant », Leo Il finit. « Mais c’est le premier [mathematical] Preuve que la gravité peut exister sans masse.

L’étude a été publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Continue Reading

science

Une étude réalisée en Oregon a révélé que les baleines grises de la côte du Pacifique sont devenues 13 % plus petites au cours des 20 à 30 dernières années.

Published

on

Les baleines grises qui passent l’été à se nourrir dans les eaux peu profondes au large de la côte nord-ouest du Pacifique ont connu une diminution significative de leur longueur depuis 2000 environ, selon une nouvelle étude de l’Université d’État de l’Oregon.

Selon les chercheurs, la taille plus petite pourrait avoir de graves conséquences sur la santé et le succès reproductif des baleines affectées, et également sonner l’alarme sur l’état du réseau trophique dans lequel elles coexistent.

« Cela pourrait être un signe avant-coureur indiquant que l’abondance de ce groupe d’animaux commence à décliner ou n’est pas en bonne santé », a déclaré KC Perlich, co-auteur de l’étude et professeur adjoint au Marine Mammal Institute de l’Ohio State University à Newport. « Les baleines sont les gardiennes de l’écosystème, donc si les populations de baleines ne se portent pas bien, cela pourrait nous en apprendre beaucoup sur l’environnement lui-même. »

L’étude, publiée dans la revue Global Change Biology, a porté sur le Pacific Coast Feeding Group (PCFG), un petit sous-groupe d’environ 200 baleines grises au sein du plus grand groupe du Pacifique Nord-Est (ENP) d’environ 14 500 baleines. Cette sous-population reste plus près des côtes de l’Oregon, se nourrissant dans les eaux moins profondes et plus chaudes des mers arctiques, où la majeure partie de la population de baleines grises passe la majeure partie de l’année.

Des études récentes menées par l’Ohio State University ont montré que les baleines de cette sous-population sont plus petites et dans une condition physique généralement pire que celles de leurs homologues ENP. L’étude actuelle révèle qu’ils ont diminué au cours des dernières décennies.

READ  Une intense rafale de rayonnement tirée du soleil devrait frapper la Terre mercredi

Le laboratoire d’écologie géospatiale de la mégafaune marine (GEMM) du Marine Mammal Institute étudie ce sous-groupe de baleines grises depuis 2016, notamment en faisant voler des drones au-dessus des baleines pour mesurer leur taille. À l’aide d’images de 2016 à 2022 de 130 baleines individuelles d’âges connus ou estimés, les chercheurs ont déterminé qu’une baleine grise adulte née en 2020 devrait atteindre une longueur de corps adulte de 1,65 mètres (environ 5 pieds 5 pouces), soit plus courte que une baleine grise née avant 2000. Pour les baleines grises PCFG qui atteignent 38 à 41 pieds de longueur à pleine maturité, cela représente une perte de plus de 13 % de leur longueur totale.

Si la même tendance se produisait chez les humains, la taille moyenne d’une femme américaine passerait de 5 pieds 4 pouces à 4 pieds 8 pouces en 20 ans.

« En général, la taille est cruciale pour les animaux », a déclaré Enrico Perrotta, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Université de St. Andrews en Écosse. « Cela affecte leur comportement, leur physiologie et leur histoire de vie, et a des effets en cascade sur les animaux et sur la société dont ils font partie. »

Les jeunes baleineaux en âge de sevrage pourraient ne pas être en mesure de gérer l’incertitude liée au fait de devenir indépendant, ce qui peut affecter les taux de survie, a déclaré Perrotta.

Pour les baleines grises adultes, l’une des plus grandes préoccupations est le succès de la reproduction.

« Comme ces baleines sont plus petites, des questions se posent quant à leur efficacité à stocker et à allouer l’énergie nécessaire à leur croissance et à maintenir leur santé. Plus important encore, sont-elles capables de fournir suffisamment d’énergie pour se reproduire et maintenir la croissance de la population ? » « , a déclaré Berlic.

READ  Nanomatériaux auto-assemblés pour une fabrication durable

Les cicatrices que les baleines PCFG souffrent des collisions avec des bateaux et des enchevêtrements dans les engins de pêche font également craindre à l’équipe que leur taille corporelle plus petite combinée à leurs réserves d’énergie inférieures puissent rendre les baleines moins résistantes aux blessures.

L’étude a également examiné les modèles de l’environnement océanique qui régulent probablement la disponibilité de nourriture pour ces baleines grises au large de la côte Pacifique en suivant les cycles de « remontée d’eau » et de « relaxation » dans l’océan. Le courant de l’eau qui coule balaye les nutriments des zones profondes vers les zones peu profondes, tandis que des périodes de relaxation permettent ensuite à ces nutriments de rester dans des zones peu profondes où la lumière permet au plancton et à d’autres petits organismes de se développer, y compris les proies des baleines grises.

« Sans un équilibre entre la montée des eaux du fond et leur relâchement, l’écosystème pourrait ne pas être en mesure de produire suffisamment de proies pour supporter la grande taille de ces baleines grises », a déclaré le co-auteur Lee Torres, professeur agrégé et directeur du laboratoire GEMM. à l’Université d’État de l’Ohio.

Perrotta a déclaré que les données montrent que la taille des baleines a diminué en conjonction avec des changements dans l’équilibre entre la montée et la détente des eaux de fond.

« Nous n’avons pas examiné spécifiquement comment le changement climatique affecte ces tendances, mais nous savons de manière générale que le changement climatique affecte l’océanographie du nord-est du Pacifique à travers des changements dans la configuration des vents et la température de l’eau », a-t-il déclaré. « Ces facteurs et d’autres affectent la dynamique des fluctuations et des relâchements dans la région. »

READ  Les scientifiques fournissent les premières observations sur le terrain de l'extraction du carbone des coccolithophores

Maintenant qu’ils savent que la taille du corps des baleines grises PCFG est en déclin, les chercheurs affirment se poser de nombreuses nouvelles questions sur les conséquences ultimes de ce déclin et les facteurs qui pourraient y contribuer.

« Nous entamons notre neuvième saison sur le terrain pour étudier le sous-groupe PCFG », a déclaré Perlich. « Il s’agit d’un ensemble de données puissant qui nous permet de détecter les changements dans l’état corporel chaque année. Nous examinons donc maintenant les facteurs environnementaux de ces changements. »

Les autres co-auteurs de l’article sont Lisa Hildebrand, Clara Byrd et Alejandro Ajo de l’Ohio State University, ainsi que Leslie New de l’Ursinus College en Pennsylvanie.

Continue Reading

science

La formation par simulation basée sur l’IA améliore les performances humaines dans les exosquelettes robotiques

Published

on

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle méthode qui exploite l’intelligence artificielle (IA) et les simulations informatiques pour entraîner des exosquelettes robotiques afin d’aider de manière indépendante les utilisateurs à économiser de l’énergie lorsqu’ils marchent, courent et montent les escaliers.

« Ce travail propose et démontre un nouveau cadre d’apprentissage automatique qui comble le fossé entre la simulation et la réalité pour contrôler de manière autonome des robots portables afin d’améliorer la mobilité et la santé des humains », explique Hao Su, auteur correspondant d’un article sur les travaux qui seront publiés. Le 12 juin dans le magazine nature.

« Les exosquelettes ont un énorme potentiel pour améliorer les performances des locomotives humaines », déclare Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, leur développement et leur déploiement à grande échelle sont limités par de longues exigences en matière de tests humains et par des lois sur la surveillance manuelle.

« L’idée de base ici est que l’IA incorporée dans l’exosquelette portable apprend à aider les gens à marcher, courir ou grimper dans une simulation informatique, sans nécessiter aucune expérience », explique Su.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du contrôle autonome dans les systèmes d’IA incorporés, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le logiciel d’IA est intégré à la technologie des robots physiques. Ce travail visait à enseigner aux exosquelettes robotiques comment aider les personnes en bonne santé à effectuer divers mouvements. En règle générale, les utilisateurs doivent passer des heures à « entraîner » l’exosquelette afin que la technologie sache quelle force est nécessaire – et quand appliquer cette force – pour aider les utilisateurs à marcher, courir ou monter les escaliers. La nouvelle méthode permet aux utilisateurs de profiter immédiatement des exosquelettes.

READ  Minéraux de terres rares découverts sur l'un des mondes les plus dangereux de la galaxie : ScienceAlert

« Ce travail fait de la science-fiction une réalité, permettant aux gens de dépenser moins d’énergie tout en effectuant diverses tâches », explique Su.

« Nous avons développé une méthode pour former et contrôler des robots portables qui profitent directement aux humains », explique Xuzhen Lu, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral à NC State. Luo est maintenant professeur adjoint à l’Université aéronautique Embry-Riddle.

Par exemple, lors de tests sur des humains, les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude utilisaient 24,3 % d’énergie métabolique en moins lorsqu’ils marchaient avec un exosquelette robotique que lorsqu’ils marchaient sans exosquelette. Les participants ont utilisé 13,1 % d’énergie en moins lorsqu’ils couraient dans l’exosquelette et 15,4 % d’énergie en moins lorsqu’ils montaient les escaliers.

« Il est important de noter que ces réductions de puissance comparent les performances de l’exosquelette robotique à celles d’un utilisateur ne portant pas l’exosquelette », explique Su. « Cela signifie qu’il s’agit d’une mesure réelle de la quantité d’énergie économisée par l’exosquelette. »

Bien que cette étude se soit concentrée sur le travail des chercheurs auprès de personnes en bonne santé, la nouvelle méthode s’applique également aux applications d’exosquelettes robotiques visant à aider les personnes à mobilité réduite.

« Notre cadre peut offrir une stratégie généralisable et évolutive pour le développement rapide et l’adoption généralisée d’une variété de robots d’assistance pour les personnes en bonne santé et à mobilité réduite », explique Su.

« Nous en sommes aux premiers stades de tests des performances de la nouvelle méthode sur des exosquelettes robotiques utilisés par des personnes âgées et des personnes souffrant de troubles neurologiques, tels que la paralysie cérébrale. Nous souhaitons également explorer comment cette méthode peut améliorer les performances des dispositifs prothétiques robotiques. pour la population amputée.

READ  Une intense rafale de rayonnement tirée du soleil devrait frapper la Terre mercredi

Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation sous les prix n° 1944655 et 2026622 ; Institut national de recherche sur le handicap, la vie indépendante et la réadaptation, dans le cadre de la bourse 90DPGE0019 et de la bourse de recherche suisse SFGE22000372 ; et les National Institutes of Health, sous le prix 1R01EB035404.

Shuzhen Luo et Hao Su sont co-inventeurs de la propriété intellectuelle liée au contrôleur évoquée dans ce travail. Su est également co-fondateur et détient un intérêt financier dans Picasso Intelligence, LLC, qui développe des exosquelettes.

Continue Reading

Trending

Copyright © 2023