麻省理工学院公布水下通信技术研究的开创性进展

麻省理工学院公布水下通信技术研究的开创性进展"几年前，水下通信的功率降低了一百万倍，这是一个非常令人兴奋的想法，但现在却变得切实可行。电子工程与计算机科学系副教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任法德尔-阿迪布（FadelAdib）说："虽然仍有一些有趣的技术挑战需要解决，但从我们现在所处的位置到部署，已经有了一条清晰的道路。该设备是一个压电传感器阵列，可实现无电池水下通信。图片来源：研究人员提供水下反向散射通过将数据编码在声波中，然后反射或散射回接收器，从而实现低功耗通信。这些创新技术使反射信号能够更精确地指向信号源。由于这种"反向指向性"，散射到错误方向的信号更少，从而实现了更高效、更远距离的通信。在河流和海洋中进行测试时，反向定向装置的通信距离是以前装置的15倍以上。不过，实验受到了研究人员可用码头长度的限制。为了更好地了解水下反向散射的极限，研究小组还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们利用实验数据对该模型进行了验证，结果表明，他们的反向定向系统可以在千米范围内进行通信。研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这两篇论文将在今年的ACMSIGCOMM和MobiCom会议上发表。阿迪布是这两篇论文的资深作者，与他共同撰写SIGCOMM论文的还有前博士后、现密歇根大学助理教授阿琳-艾德（AlineEid）和研究助理杰克-拉德马赫（JackRademacher），以及研究助理瓦利德-阿克巴（WaleedAkbar）、王璞睿（PuruiWang）和博士后艾哈迈德-阿拉姆（AhmedAllam）。MobiCom论文的共同第一作者也是Akbar和Allam。三名团队成员在伍兹霍尔研究所进行实验。图片来源：研究人员提供利用声波进行通信水下反向散射通信设备利用"压电"材料制成的节点阵列来接收和反射声波。这些材料在受到机械力作用时会产生电信号。当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转化为电荷。节点利用电荷将部分声波能量散射回声源，传输数据，接收器根据反射序列对数据进行解码。但是，由于背向散射信号会向各个方向传播，只有一小部分能到达声源，从而降低了信号强度，限制了通信范围。为了克服这一难题，研究人员利用了一种已有70年历史的无线电设备--范阿塔阵列，在这种设备中，对称的一对天线以这样一种方式连接起来，使阵列能将能量反射回信号来源的方向。然而，将压电节点连接起来组成范阿塔阵列会降低其效率。研究人员通过在成对连接的节点之间放置一个变压器，避免了这一问题。变压器将电能从一个电路传输到另一个电路，使节点能够将最大能量反射回源。"两个节点都在接收，两个节点都在反射，因此这是一个非常有趣的系统。"艾德解释说："随着该系统中元件数量的增加，你可以建立一个阵列，从而实现更远的通信距离。"此外，他们还使用了一种名为跨极性切换的技术，在反射信号中编码二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（就像汽车电池），因此当两个节点的正极相连，两个节点的负极相连时，反射信号就是"1位"。但如果研究人员调换极性，将负极和正极相互连接，那么反射信号就是"零位"。"仅仅将压电节点连接在一起是不够的。通过交替改变两个节点的极性，我们就能将数据传输回远程接收器，"Rademacher解释道。在建造VanAtta阵列时，研究人员发现如果连接的节点太近，就会相互屏蔽信号。他们设计了一种节点交错的新设计，使信号可以从任何方向到达阵列。采用这种可扩展的设计，阵列的节点越多，通信范围就越大。他们与伍兹霍尔海洋研究所合作，在马萨诸塞州剑桥市的查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸附近的大西洋上对阵列进行了1500多次实验测试。该装置的通信距离达到300米，比他们之前展示的距离长15倍多。不过，由于码头空间不够，他们不得不缩短实验时间。模拟最大值这启发了研究人员建立一个分析模型，以确定这种新型水下反向散射技术的理论和实际通信极限。在他们小组研究射频识别（RFID）的基础上，研究小组精心制作了一个模型，以捕捉系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下工作范围的影响。"这不是一种传统的通信技术，因此你需要了解如何量化反射。不同组件在这一过程中的作用是什么？"阿克巴说。例如，研究人员需要推导出一个函数，捕捉特定尺寸的水下压电节点反射出的信号量，这是开发模型的最大挑战之一。他们利用这些见解创建了一个即插即用的模型，用户可以输入输入功率和压电节点尺寸等信息，并获得显示系统预期范围的输出。他们根据实验数据对模型进行了评估，发现该模型可以准确预测逆向声学信号的范围，平均误差小于1分贝。利用这一模型，他们发现水下反向散射阵列有可能实现千米长的通信距离。"我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们一直在做的6G蜂窝网络领域。"阿迪布说："对我们来说，这是一件非常有意义的事情，因为我们现在已经开始看到这种技术非常接近现实。"研究人员计划继续研究水下反向散射VanAtta阵列，或许可以使用船只，这样他们就能评估更远的通信距离。同时，他们还打算发布工具和数据集，以便其他研究人员在此基础上开展工作。与此同时，他们也开始向这项技术的商业化迈进。"射程有限一直是水下反向散射网络的一个公开问题，阻碍了它们在现实世界中的应用。"加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授奥米德-阿巴里（OmidAbari）说："这篇论文使水下通信在实现远距离传输的同时以最小的能量运行，从而在未来的水下通信领域迈出了重要的一步。这篇论文首次将VanAttaReflector阵列技术引入水下反向散射环境，并展示了该技术在将通信距离提高几个数量级方面的优势。这可以让无电池水下通信离现实更近一步，从而实现水下气候变化监测和海岸监测等应用"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385025.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385025.htm

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm

麻省理工学院首次控制量子随机性

麻省理工学院首次控制量子随机性想象一下，平静的海面突然起了波浪--这与量子层面的真空中发生的情况类似。在此之前，科学家们已经利用这些波动生成了随机数。它们也是量子科学家在过去一百年中发现的许多迷人现象的原因。利用真空波动生成可调谐随机数的实验装置。图片来源：CharlesRoques-Carmes、YannickSalamin麻省理工学院博士后CharlesRoques-Carmes和YannickSalamin、麻省理工学院教授MarinSoljačić和JohnJoannopoulos及其同事最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，对上述发现进行了描述。传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一系列预定义的规则和算法逐步执行指令。在这种模式下，如果多次运行相同的操作，总会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代打下了基础，但也有其局限性，尤其是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务往往涉及大量的不确定性和随机性。从量子真空中生成可调随机数的艺术插图。图片来源：陈磊这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的内在随机性来执行计算。它们不会只提供一个"正确"的答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，因为在这些问题中可能存在多种解决方案，而对各种可能性的探索可以找到更好的解决方案。工作的主要作者之一CharlesRoques-Carmes博士正在操作实验系统。图片来源：AnthonyTulliani然而，概率计算的实际应用在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对量子随机性相关概率分布的控制。不过，麻省理工学院团队开展的研究揭示了一种可能的解决方案。具体来说，研究人员已经证明，向光学参量振荡器（一种自然生成随机数的光学系统）注入微弱的激光"偏压"，可以作为"偏压"量子随机性的可控源。"尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常微弱的偏置场的影响尚未得到探索，"该研究的研究员CharlesRoques-Carmes说。"我们发现的可控量子随机性不仅让我们能够重新审视量子光学中已有几十年历史的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。"该团队成功展示了操纵与光参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创造了有史以来第一个可控光子概率位（p-bit）。此外，该系统还显示出对偏置场脉冲时间振荡的敏感性，甚至远低于单光子水平。工作的主要作者之一YannickSalamin博士正在操作实验系统。资料来源：AllysonMacBasino团队另一位成员YannickSalamin说："我们的光子p比特生成系统目前可以每秒生成10,000个比特，每个比特都可以遵循任意的二项分布。我们预计，这项技术将在未来几年不断发展，从而产生更高速率的光子p位，并实现更广泛的应用。"麻省理工学院的MarinSoljačić教授强调了这项工作的广泛意义："通过使真空波动成为可控元素，我们正在推动量子增强概率计算的发展。在组合优化和晶格量子色动力学模拟等领域模拟复杂动力学的前景非常令人兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382749.htm

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机插图显示太赫兹照明（右上角的黄色曲线）进入新的相机系统，它刺激纳米级孔内的量子点（显示为照明环）发出可见光，然后使用基于CMOS的芯片（左下角）检测，就像数码相机中的那些。然而，设计检测和制作太赫兹波图像的设备一直是个挑战。因此，大多数现有的太赫兹设备是昂贵的，缓慢的，笨重的，并需要真空系统和极低的温度。现在，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星公司的研究人员已经开发出一种新的相机，它可以快速检测太赫兹脉冲，具有高灵敏度，并且在室温和压力下。更重要的是，它可以同时实时捕捉到关于波的方向，或"偏振"的信息，而现有的设备无法做到。这种信息可以用来描述具有不对称分子的材料，或确定材料的表面细节。这个新系统使用被称为量子点的粒子。这些粒子最近被发现在受到太赫兹波的刺激时有能力发射出可见光。然后，这些可见光可以被一个类似于标准电子相机探测器的装置记录下来，甚至可以用肉眼看到。11月3日发表在《自然-纳米技术》杂志上的一篇论文描述了这一装置，作者是麻省理工学院的博士生史娇健、化学教授KeithNelson和其他12人。该团队制造了两种不同的装置，可以在室温下运行。一个是利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该装置能够产生材料的图像；另一个是产生显示太赫兹波偏振状态的图像。新的"照相机"由几层组成，采用像用于微芯片的标准制造技术制成。基板上有一排纳米级的平行金线，用窄缝隔开；上面是一层发光的量子点材料；上面是一个用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器使用类似的结构，但有纳米级的环形狭缝，这使得它能够检测到进入的光束的偏振。太赫兹辐射的光子具有极低的能量，这使得它们很难被检测到。因此，这个设备正在做的是将那小小的光子能量转化为易于用普通相机检测的可见物。在该团队的实验中，该设备能够在低强度水平上检测太赫兹脉冲，超过了今天大型和昂贵系统的能力。研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力，例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝，证明了该系统的灵敏度和分辨率。一个CMOS相机被用来捕捉太赫兹光束的旋转。资料来源：研究人员提供开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波以照亮一个物体的部件，以及另一个检测它们的部件。在后一点上，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量，而热量传播缓慢，要么它们使用相对较快的光电探测器，但灵敏度非常低。此外，直到现在，大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列，每个探测器产生一个像素的图像。问题在于每一个都相当昂贵，一旦他们开始被用来制造相机，探测器的成本就会开始迅速扩大。虽然研究人员说他们已经通过新的工作破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏良好的源的问题仍然存在--而且世界各地的许多研究小组正在努力解决。尼尔森说，新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列，不容易被扩展到实际应用中，但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-HyunOh补充说，虽然目前的太赫兹相机版本要花费数万美元，但该系统使用的CMOS相机的廉价特性使其"向建立实用的太赫兹相机迈进了一大步"。商业化的潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司合作开展这项研究。尼尔森说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-452华氏度）下工作，这对于从背景噪声中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像，这一点出乎了从事太赫兹领域工作的人的意料。研究人员说，有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可以有一些潜在的应用。在新设备的商业化潜力方面，Nelson说，量子点现在价格低廉，而且容易获得，目前被用于消费产品，如电视屏幕。相机设备的实际制造更加复杂，但也是基于现有的微电子技术。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹照相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造，这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的，而且价格相对便宜。目前，尽管该相机系统离商业化还很远，但麻省理工学院的研究人员在需要快速检测太赫兹辐射时已经在使用这种新的实验室设备。"我们没有那些昂贵的相机，"纳尔逊说，"但是我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个插入光束中，用眼睛看一下可见光的发射，这样他们就知道太赫兹光束何时开启，这真的很方便。"虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象，但这些来源将是极其微弱的，而且新设备无法捕捉这种微弱的信号，该团队正在努力提高其灵敏度。下一代的研究工作在于把所有东西都做得更小，它的灵敏度也会更高。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332689.htm

麻省理工学院的化学工程师正在破解除碳的难题

麻省理工学院的化学工程师正在破解除碳的难题麻省理工学院的化学工程衍生公司Verdox一直在享受杰出的一年。这家于2019年推出的碳捕获和清除初创公司在2月宣布从包括比尔-盖茨的突破性能源风险投资公司在内的一系列投资者那里获得了8000万美元的资金。4月又在被彭博新能源财经认可为年度最佳能源先锋之一之后，该公司和合作伙伴Carbfix赢得了100万美元的XPRIZE碳清除里程碑奖项。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1324255.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1324255.htm

麻省理工学院开发出超低噪音无人机螺旋桨

麻省理工学院开发出超低噪音无人机螺旋桨该机构已获得专利的配置几乎使螺旋桨的声音更像一阵急促的微风，而不是高亢的嗡嗡声，而且它没有牺牲推力。该螺旋桨类似甜甜圈，由两个环在一起的叶片组成，这样一个叶片的顶端就会弯回到另一个叶片中。这种封闭式结构最大限度地减少了在叶片尖端产生的旋转空气隧道（即涡流）的阻力效应，并加强了螺旋桨的整体硬度。螺旋桨的声学特征大大降低，只有普通无人机的一半的噪音。但是，新的螺旋桨并非没有缺点，由于它们形状复杂使得制造变得更难。不过研究人员表示，3D打印技术可以有效解决这一难题，而除了在空气中使用外，这一环形螺旋桨在水下也能显著降低噪音。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341441.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341441.htm