Формализуя активность клеток мозга мухи, задействованных в зрительных процессах, ученые нашли новый способ извлечения траекторий движения из необработанных визуальных данных.

Хотя они и построили систему, исследователи не совсем понимают, как она работает. Однако, несмотря на таинственность полученных формул, они могли бы быть использованы для программирования систем видения боевых миниатюрных беспилотных летательных аппаратов, поисково-спасательных роботов, систем автомобильной навигации и других систем, где вычислительная мощность в большом почете.

«Мы можем создать систему, которая отлично работает, вдохновляясь природой, без полного понимания того, как взаимодействуют элементы этой системы. Это нелинейная система, сказал Дэвид O’Кэрролл, вычислительный нейрофизиолог, изучающий зрение насекомых в австралийском университете Аделаиды. „Количество вычислений достаточно мало. Мы можем получить результат с помощью в десятки тысяч раз меньшего количества вычислений с плавающей точкой, чем используя традиционные способы “.

Наиболее известным из них является метод Лукас-Канада , который рассчитывает сдвиги — вверх-вниз, из стороны в сторону — путем сравнения, кадр за кадром, как меняется каждый пиксел в области визуального наблюдения. Он используется для управления во многих экспериментальных беспилотных аппаратах, но такой брутфорс требует огромной вычислительной мощности, что делает этот метод нецелесообразным в небольших системах.

Для того, чтобы сделать возможным производство небольших летающих роботов, исследователи хотели бы найти более простой способ обработки движения. И тогда ученые обратили внимание на мух, которые используют относительно небольшое количество нейронов для маневрирования с необычайной ловкостью. И на протяжении более десяти лет, O’Кэрролл и других исследователи тщательно изучали оптические схемы полета мух, измеряя их по-клеточную активность и превращая результат эволюции в набор вычислительных принципов.

В документе, опубликованном в пятницу в Общественной библиотеке Научной Вычислительной Биологии O’Керрол и его коллега Рассел Бринкворт рассказывают о результатах применения этого метода на практике.

»Ноутбуки используют как минимум десятки ватт электроэнергии. Осуществить то, что мы разработали можно с чипами, которые потребляют лишь десятые мВт «, сказал O’Керрол.

нажмите для увеличения

Алгоритм исследователей состоит из серии пяти формул, через которые пропускаются данные с камер. Каждое формула представляет собой приемы, которыми пользуются мухи для обработки изменения уровней яркости, контрастности и движения, и их параметры постоянно изменяются в зависимости от того, что подается на ввод. В отличие от метода Лукаса-Канада, алгоритм не возвращает покадровое сравнение каждого пикселя, однако подчеркивает, крупномасштабные изменения. В этом смысле он похож на системы сжатия видео, которые игнорируют однотонные области.

Для тестирования алгоритма, O’Керролл и Бринкворт проанализировали несколько анимированных изображений высокого разрешения с помощью программ вроде тех, что могут быть запущенны в роботе. Когда они сравнили результаты с входными данными, они обнаружили, что он работал в различных условиях естественного освещения, которые обычно вводили в заблуждение обычные детекторы движения.

«Это удивительная работа, сказал Шон Гумберт аэрокосмический инженер из Мериледнского Университета, который строит миниатюрных автономных летающего роботов, некоторые из которых работают на ранних версиях алгоритма O’Кэрролла. Для размещения традиционных систем навигации устройство должно быть способно к переноске достаточно большой полезной нагрузки. Но полезная нагрузка маленьких летающих роботов совсем маленькая — всего лишь пара Tic-Tac-ов. Ты никогда не засунешь несколько двухъядерников в пару Tic-tac-ов. Алгоритмы, которые используют насекомые очень просты по сравнению с вещами мы проектируем, и еще проще для небольших транспортных стредств ».

Интересно, что алгоритм не работает так же хорошо, если какая-нибудь одна операция пропущена. Сумма больше, чем целое, и О’Керролл и Бринкворт не знают почему. Поскольку параметры находятся в постоянной обратной связи, он производит каскад нелинейных уравнений, в которых трудно разобраться в ретроспективе, и почти невозможно предсказать.

«Мы вдохновились зрением насекомых, и построили модель, которая пригодна для реального использования, но при этом, мы построили систему почти такую же сложную, как само насекомое», сказал O’Керролл. «Это одна из самых увлекательных вещей. Это не обязательно приведет нас к полному пониманию того, как эта система работает, но возможно приблизит к пониманию того, как сама природа смогла сделать это правильно.»

Исследователи получили свой алгоритм из нейронных схем, относящихся к поперечному обзору, но O’Керролл считает, что похожие формулы вероятно, могут использоваться при расчете других оптических потоков, таких, которые производится для перемещения вперед и назад в трехмерном пространстве.

(с)

Открытые разработки фосфатов в Западной Сахаре. Фото с сайта photobucket.com

Фосфор — незаменимый элемент питания растений (как, впрочем, и всех других организмов). Поддержание высоких урожаев сельскохозяйственных культур, необходимое для обеспечения продовольствием растущего населения Земли, возможно только благодаря массированному применению минеральных удобрений. Фосфорные удобрения получают, разрабатывая имеющиеся в некоторых местах залежи горных пород, богатых фосфатами. Связанный растениями фосфор переходит далее по пищевым цепям (достается животным, в том числе и человеку), выделяется с продуктами обмена, попадает в сточные воды, реками выносится в океан, где в конце концов оказывается в морских осадках, но уже в очень рассеянной форме. Таким образом, имеющиеся на Земле запасы фосфатов — это фактически невозобновляемые, исчерпаемые ресурсы. На какое время их хватит человечеству? В редакционной статье, опубликованной недавно в журнале Nature, дан анализ экспертных оценок складывающейся ситуации. Прогноз экспертов не слишком оптимистичен: фосфора нам хватит не более чем на 50–125 лет.

На страницах популярных изданий и научных журналов нередко обсуждается вопрос о том, на сколько хватит растущему населению Земли природных запасов ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Эти ресурсы, хотя и являются невозобновляемыми, могут заменять друг друга. Кроме того, существуют и альтернативные возобновляемые источники энергии (реки, ветер, солнце, биотопливо). Но помимо нехватки источников энергии растущее человечество сталкивается с другой, очень важной, но почему-то не привлекающей столько внимания проблемой — а именно, дефицитом незаменимых элементов питания растений — азота и фосфора. Добавление этих элементов в почву в виде азотных и фосфорных удобрений — обязательное условие поддержания высоких урожаев сельскохозяйственных культур.

При этом ситуация с азотом и фосфором довольно сильно различается. Азот — хоть и в молекулярной, недоступной для растений и животных, форме — имеется в огромном количестве в воздухе. Связать же его и превратить в форму, пригодную для использования растениями, могут некоторые бактерии (например, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений). Кроме того, в начале XX века был разработан процесс промышленной фиксации (связывания) атмосферного азота и превращения его в аммонийную форму (процесс Габера—Боша). В настоящее время количество азота, вносимого в почву с такими искусственно синтезированными удобрениями, уже превышает то количество, которое связывается на суше в ходе естественной азотфиксации бактерий.

Карьер апатитового рудника «Центральный» на плато Расвумчорр (Хибины). Фото с сайта news.bbc.co.uk

С фосфором ситуация принципиально иная. Этот элемент не образует газообразных соединений, а его перемещения по поверхности планеты осуществляются главным образом с потоками воды. По сути, фосфор постепенно стекает с суши в океан. Возвращение же его на сушу определяется долговременными геологическими процессами поднятия океанического дна. Впрочем, в природных, ненарушенных человеком, экосистемах цикл фосфора почти замкнутый. Большая часть его, будучи использована растениями на собственный рост, снова возвращается в среду при разложении органических остатков микроорганизмами, а также в виде продуктов обмена веществ животных.

Проблемы возникают при выращивании сельскохозяйственных культур, так как значительная часть продукции растений изымается человеком, а с этой продукцией выносятся с полей и элементы минерального питания. Кроме того, человек стремится получить максимально высокий урожай, а для этого требуется внесение в почву дополнительных удобрений. Вернуть же использованный на полях фосфор, пустить его снова по кругу не удается.

Фосфорные удобрения получают при разработке некоторых горных пород, содержащих большое количество фосфатов. Таков, к примеру, апатит, залежи которого имеются на Кольском полуострове. Большое количество фосфатов сосредоточено на севере Африки, в Марокко и Западной Сахаре. Но в целом распределение запасов пород, содержащих фосфор, по поверхности суши крайне неравномерное. По существующим оценкам более 70% их сосредоточены всего в нескольких странах: в Марокко, Китае, США и России.

Оставшиеся еще в разных странах запасы фосфатов. Все цифры — в гигатоннах (109 т), то есть в миллиардах тонн. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Что касается общего количества фосфатов, которые в принципе могут быть освоены человеком, то по данным Геологической службы США (US Geological Survey) оно составляет 62 миллиарда тонн. Эта цифра включает как те 15 млрд тонн, которые уже разрабатываются, так и те, разрабатывать которые считается пока нерентабельным: они или находятся в море, или содержат значительные примеси токсических элементов, прежде всего кадмия. В 2008 году общее количество добытых фосфатов составило 161 миллион тонн. Согласно оценкам экспертов Геологической службы США, потребности в удобрениях в ближайшие 5 лет будут возрастать ежегодно на 2,5–3%. Если подобный темп использования фосфатов сохранится, то все мировые запасы их могут быть израсходованы за 125 лет. Близкие оценки дают и эксперты Международной ассоциации производителей удобрений (International Fertilizer Industry Association). Они полагают, что спрос на удобрения сначала будет возрастать, а с середины текущего столетия начнет уменьшаться. Хватить существующих запасов фосфатов, согласно их расчетам, должно примерно на 100 лет.

Однако другие прогнозы еще более тревожные. Так, по даннымПродовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций(FAO — Food and Agricultural Organization) для обеспечения продовольствием растущего населения Земли необходимо, чтобы продукция сельского хозяйства к 2050 году удвоилась. Если при этом допустить сохранение наблюдающегося сейчас ежегодного увеличения потребления удобрений на 3% и учитывать только удобные для разработки месторождения, то запасов фосфатов хватит лишь на 50 лет.

Осадок внутри канализационной трубы может быть ценным источником фосфора. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

В обсуждаемой статье в Nature подчеркивается в то же время, что компании производителей удобрений не раскрывают полностью имеющихся у них данных. Правительства отдельных стран также делают противоречивые заявления. Например, Китай, когда вступил во Всемирную торговую организацию, указал, что его запасы фосфатов составляют 8 млрд тонн, хотя ранее приводил цифру только 2 млрд тонн. Специалисты из международных объединений призывают к налаживанию системы независимой экспертизы имеющихся запасов, однако признают, что наладить такую экспертизу очень непросто. В самое последнее время некоторые компании стали вкладывать большие средства в разработку отложений, отличающихся сравнительно невысоким содержанием фосфатов, а также находящихся под водой. Неудивительно, что цены на фосфаты при этом сразу резко подскочили. В прошлом году в некоторые моменты цена доходила до 500 долларов США за тонну, хотя годом раньше средняя цена была в 5 раз ниже.

Очевидно, что на повестку дня выходит вопрос о хотя бы частичном возвращении в оборот использованного фосфора, о сокращении его стока в океан и повторном использовании на сельскохозяйственных угодьях. Важным источником фосфатов могут стать, в частности, стоки животноводческих ферм, а также осадки, образующиеся в канализационных трубах. Соответствующие технологии, по-видимому, скоро начнут быстро развиваться. Фосфор — слишком дорого достающийся нам элемент, чтобы допускать и в дальнейшем его безвозвратное использование.

Источник: Natasha Gilbert. The disappearing nutrient // Nature. 2009. V. 461. P. 716–718.

А всё потому, что мне всегда не хватало сайта, где можно найти статьи, которые бы в мельчайших деталях объясняли то или иное явление, принцип действия того или иного механизма – вплоть до самых фундаментальных основ его функционирования. Да, сайтов, посвященных науке великое множество, но там в основном новости, которые должны вроде как быть интересными. Но на самом деле все обстоит не так.

По-моему, новости стали довольно скучными, так как общая суть всех новостей сводится к тому, что мы научились делать что-то лучше, быстрее, надёжнее. Это не так плохо, что мы об этом узнаем, но их минус в том, что там все описывается поверхностно. А поверхностно даже самые великие изобретения и открытия выглядят блекло. Многие теории и процессы поверхностно просто не понять! И поэтому и возникает всякого рода борьба между деятелями науки и еще какой-то организацией. А все потому что ввиду недосказанности многие склонны все неправильно трактовать, а СМИ только усиливают этот эффект.  Хотя наука – это вообще по сути дела нейтральный элемент, она не занимает никаких позиций, наука просто старается что-то логически объяснить и всё.

Поэтому я и решил создать портал, который собрал бы огромное множество материала (с разных сайтов, книг, журналов и пр.), который бы объяснял то или иное открытие (теорию, принцип действия и т.д.) детально, чтобы у человека, прочитавшего этот материал, не было ощущения недосказанности.

Так как тогда читатель начинает понимать всю суть процесса или теории, а ведь тут-то начинается самое интересное – он начинает размышлять, строить ответвления от этой теории, создавать на основе этой технологии целые заводы и фабрики у себя в голове. Я это не выдумал, я знаю это по самому себе.

Познавать мир всегда чертовски увлекательно, и я хочу этим сайтом хотя бы отчасти утолить жадность знаний таких же «подсевших» на знания людей, как и я сам.

Удачи!