В какой стране был создан компьютер m3
Обновлено: 03.07.2024
Ниже представлена последовательность научно-технической практики использования математики и вычислительного мышления , за которой следуют ожидаемые результаты, основанные на использовании этой научной и инженерной практики.
Использование математики и вычислительного мышления
И в науке, и в технике математика и вычисления являются основными инструментами для представления физических переменных и их взаимосвязей. Они используются для ряда задач, таких как создание симуляций; статистический анализ данных; распознавание, выражение и применение количественных отношений.
Начальная школа (K-2)
Математическое и вычислительное мышление на уровне K–2 основано на предшествующем опыте и продвигается к признанию того, что математику можно использовать для описания естественного и созданного мира.
- Решите, когда использовать качественные данные, а когда количественные.
- Используйте счет и числа, чтобы определять и описывать закономерности в естественном и созданном(ых) мире(ах).
- Описывать, измерять и/или сравнивать количественные характеристики различных объектов и отображать данные с помощью простых графиков.
- Используйте количественные данные для сравнения двух альтернативных решений проблемы.
Начальная школа (3–5)
Математическое и вычислительное мышление на уровне 3–5 основано на опыте K–2 и прогрессирует в распространении количественных измерений на различные физические свойства и использовании вычислений и математики для анализа данных и сравнения альтернативных проектных решений.
- Решите, какие качественные или количественные данные лучше всего подходят для определения того, соответствует ли предлагаемый объект или инструмент критериям успеха.
- Организуйте простые наборы данных, чтобы выявить закономерности, которые указывают на взаимосвязь.
- Описывать, измерять, оценивать и/или отображать количественные показатели, такие как площадь, объем, вес и время, для решения научных и инженерных вопросов и проблем.
- Создавайте и/или используйте графики и/или диаграммы, созданные с помощью простых алгоритмов, для сравнения альтернативных решений инженерной проблемы.
Средняя школа (6–8)
Математическое и вычислительное мышление на уровне 6–8 основано на опыте K–5 и переходит к выявлению закономерностей в больших наборах данных и использованию математических понятий для обоснования объяснений и аргументов.
- Используйте цифровые инструменты (например, компьютеры) для анализа очень больших наборов данных на наличие шаблонов и тенденций.
- Используйте математические представления для описания и/или подтверждения научных выводов и проектных решений.
- Создайте алгоритмы (серию упорядоченных шагов) для решения проблемы.
- Применять математические понятия и/или процессы (такие как отношение, скорость, процент, основные операции и простая алгебра) к научным и инженерным вопросам и задачам.
- Используйте цифровые инструменты и/или математические концепции и аргументы для проверки и сравнения предлагаемых решений проблемы инженерного проектирования.
Старшая школа (9–12)
Математическое и вычислительное мышление в 9–12 классах основано на опыте K–8 и переходит к использованию алгебраического мышления и анализа, ряда линейных и нелинейных функций, включая тригонометрические функции, экспоненты и логарифмы, а также вычислительных инструментов для статистического анализа. представлять и моделировать данные. Простые вычислительные модели создаются и используются на основе математических моделей основных предположений.
- Создать и/или пересмотреть вычислительную модель или симуляцию явления, спроектированного устройства, процесса или системы.
- Использовать математические, вычислительные и/или алгоритмические представления явлений или проектных решений для описания и/или поддержки утверждений и/или объяснений.
- Применять методы алгебры и функций для представления и решения научных и инженерных задач.
- Используйте простые предельные случаи для проверки математических выражений, компьютерных программ, алгоритмов или симуляций процесса или системы, чтобы увидеть, «имеет ли смысл» модель, сравнивая результаты с тем, что известно о реальном мире.
- Применяйте отношения, скорости, проценты и преобразования единиц в контексте сложных задач измерения, связанных с количествами с производными или составными единицами (такими как мг/мл, кг/м3, акро-футы и т. д.).
Это таблица научной и инженерной практики использования математики и вычислительного мышления. Если исходить из стандарта, конкретный используемый пункт выделен выделенным цветом, а дополнительные ожидания производительности, основанные на научной и инженерной практике, можно найти под таблицей. Чтобы просмотреть все научные и инженерные практики, нажмите на заголовок "Научные и инженерные практики".
Использование математики и вычислительного мышления
Хотя существуют различия в том, как математика и вычислительное мышление применяются в науке и технике, математика часто объединяет эти две области, позволяя инженерам применять математическую форму научных теорий и позволяя ученым использовать мощные информационные технологии, разработанные инженеры. Таким образом, оба вида профессионалов могут проводить исследования и анализы и строить сложные модели, о которых в противном случае не могло бы быть и речи. (NRC Framework, 2012 г., стр. 65)
Ожидается, что учащиеся будут использовать математику для представления физических переменных и их взаимосвязей, а также для количественных прогнозов. Другие приложения математики в науке и технике включают логику, геометрию и, на самых высоких уровнях, исчисление. Компьютеры и цифровые инструменты могут повысить мощь математики за счет автоматизации вычислений, аппроксимации решений проблем, которые невозможно точно рассчитать, и анализа больших наборов данных, доступных для выявления значимых закономерностей. Ожидается, что учащиеся будут использовать лабораторные инструменты, подключенные к компьютерам, для наблюдения, измерения, записи и обработки данных. Ожидается также, что учащиеся будут заниматься вычислительным мышлением, которое включает в себя стратегии организации и поиска данных, создание последовательностей шагов, называемых алгоритмами, а также использование и разработку новых моделей естественных и искусственных систем. Математика — это инструмент, который является ключом к пониманию науки. Таким образом, обучение в классе должно включать в себя критические навыки математики. NGSS демонстрирует многие из этих навыков через ожидаемую производительность, но обучение в классе должно улучшать всю науку за счет использования качественного математического и вычислительного мышления.
Раньше компьютеры занимали целые комнаты, а теперь один компьютер может уместиться на краю пятицентовой монеты. Michigan Micro Mote (M^3) размером всего в один кубический миллиметр — это самый маленький автономный компьютер в мире.
Уже более десяти лет преподаватели и студенты факультета информатики Мичиганского университета работают над M^3. По мере того, как Интернет вещей (IoT) становится все больше, команда из Мичигана стремится сделать компьютеры еще меньше.
"Интернет вещей" описывает мир, в котором повседневные обычные предметы, такие как тостер, стиральная машина или дверная ручка, обладают интеллектом. Когда-нибудь все эти вещи будут иметь встроенные схемы, которые смогут взаимодействовать друг с другом по сети. , — сказал Даг Спайсер, старший куратор Музея компьютерной истории в Маунтин-Вью, Калифорния.
Несмотря на свои крошечные размеры, M^3 может делать снимки, измерять температуру и записывать показания давления. Исследователи надеются использовать микрокомпьютер во множестве приложений, от медицинских до промышленных. Из-за своего микроразмера M^3 можно вводить в организм, где он может снимать ЭКГ, а также измерять давление и температуру. Нефтяная промышленность также заинтересована в установке Micro Mote в нефтяных скважинах, чтобы помочь обнаружить карманы нефти, которые еще можно извлечь, прежде чем переходить к новым источникам.
Мартин Влоет
Преподаватели из Мичигана рассматривают Micro Mote как способ никогда больше ничего не терять. Идея состоит в том, что люди купят пару M^3 и прикрепят компьютеры к своим ключам, кошельку и всему остальному, что они не хотят терять. А с помощью централизованной системы люди смогут находить свои вещи в пределах своего дома.
Поскольку индустрия высоких технологий стремится к развитию Интернета вещей, размер и мощность решают все. Для того, чтобы сделать микро-управление как можно более незаметным, ученым пришлось найти способ уменьшить размер батареи компьютера.
"Чего люди не осознают, так это того, что очень большая часть объема компьютера, например мобильного телефона, на самом деле потребляется аккумулятором", – сказал Дэвид Блаау, профессор электротехники и компьютерных наук Мичиганского университета. . "Поэтому, снижая мощность, мы можем уменьшить размер батареи, и мы можем уменьшить размер всей системы."
Не имея места для клавиатуры, мыши или дисплея, преподавателям и студентам пришлось изобретать другой способ общения с микромотом. M^3 программируется и заряжается с помощью света. Путем стробирования света с высокой частотой оператор может отправлять информацию на компьютер. Как только Micro Mote обработает данные, он сможет отправить информацию на центральный компьютер с помощью обычных радиочастот.
M^3 уже готов к производству, преподаватели и сотрудники уже с нетерпением ждут создания компьютеров еще меньшего размера, которые они называют умной пылью.
"В дальнейшем нет никаких причин, по которым вы не можете настаивать на этом.Не могу получить сто микрон на стороне. И тогда вы сможете получать чипы внутри клеток, — сказал Деннис Сильвестр, также профессор электротехники и компьютерных наук в Мичиганском университете. р>
Новый экспонат выставки CHM посвящен самому маленькому компьютеру в мире — мичиганскому "Micro Mote". Уменьшение размеров было частью электронных технологий с самого начала. Меньше, как правило, делает вещи быстрее и потребляет меньше энергии. Недавно исследователь Гордон Белл заметил, что такая миниатюризация происходит по регулярной схеме и приводит к появлению новых категорий (или «классов», как он их называет) компьютерных устройств через более или менее регулярные промежутки времени.
Закон Белла является следствием и следствием закона Мура, который отслеживает тот же процесс миниатюризации с точки зрения количества транзисторов. В то время как закон Мура дает представление о плотности интегральных схем, закон Белла касается того, какие компьютеры можно сделать из этих схем. Новые классы компьютеров Bell приносят с собой новые рынки, экосистемы и, что наиболее важно, новые типы пользователей. Распространение и миниатюризация были двумя движущими силами в долгой компьютерной игре.
Закон Белла
Примерно каждое десятилетие формируется новый компьютерный класс по более низкой цене, основанный на новой программной платформе, сети и интерфейсе, что приводит к новому использованию и созданию новой отрасли.
Эволюция компьютерных классов согласно закону Белла
На приведенном выше графике показано, как компьютерные классы менялись с течением времени. Например, в левой части графика, охватывающего период с 1955 по 1975 год, мейнфреймы с объемом в диапазоне 1 000 000 000 000 кубических миллиметров (примерно размером с комнату) выглядели так, как большинство компьютеров.
Эволюция платформ и экосистем проходила через миникомпьютеры (от микроволновых печей до холодильников), рабочие станции, персональные компьютеры и т. д.
Умная пыль
Самая правая точка на этой диаграмме показывает датчики миллиметрового масштаба, также известные как "пылинки" или "умная пыль", которые при развертывании в большом количестве могут образовывать беспроводные сенсорные сети (WSN). Моты — это целые компьютерные системы размером с песчинку, которые воспринимают некоторые переменные среды, такие как давление, температура, вибрация или свет. Они разработаны, чтобы быть дешевыми и вездесущими, автономными и способными взаимодействовать друг с другом.
Что такое умная пыль? Умная пыль состоит из автономных микроэлектромеханических устройств миллиметрового размера, которые включают в себя датчики, вычислительные возможности, технологию двунаправленной беспроводной связи, источник питания и способность самоорганизовываться в специальные сети. Такие крошечные, как частицы пыли, умные пылинки могут распространяться по зданиям или в атмосферу для сбора и отслеживания данных.
Первое видение умной пыли? Винсент Ван Гог, Сеятель на закате.
Хотя на диаграмме показано, что пылинки появятся в 2020 году, умная пыль существует уже некоторое время, по крайней мере, в виде идеи. Крис Пистер из Калифорнийского университета в Беркли впервые ввел этот термин примерно в 1996 году, заключив, что еще через несколько лет «мы будем программировать стены и мебель, а когда-нибудь даже насекомых и пыль». Одним из спонсоров проекта Пистера «Умная пыль» выступило DARPA — Агентство передовых оборонных исследовательских проектов, американское агентство по финансированию исследований, которое поддерживает технологии с возможным военным потенциалом. С момента своего основания в 1958 году DARPA было важной силой в продвижении технологий, которые в то время были спекулятивными и недоказанными. Некоторые из его заметных успехов: Интернет (через APRANET), GPS, технология невидимости, компьютерная мышь, дизайн СБИС, суперкомпьютеры и (скоро) беспилотные автомобили. DARPA, разумеется, тоже занимается разработкой оборонных технологий (и все вышеперечисленные спин-оффы начинались именно так). Видение и причина поддержки проекта Smart Dust со стороны DARPA заключалась в том, чтобы «рассыпать» огромное количество пылинок на поле боя, чтобы собрать разведданные и повысить ситуационную осведомленность солдат на земле. Поскольку пылинки общаются друг с другом по беспроводным сетям, они могут формировать «одеяло» из датчиков над областью, предоставляя потенциально спасительную информацию в режиме реального времени.
Но применение умной пыли выходит далеко за рамки этого научно-фантастического сценария. Пистер перечисляет некоторые из них:
- Отслеживание перемещения птиц, мелких животных и даже насекомых.
- Наблюдение за условиями окружающей среды, влияющими на урожай и домашний скот.
- Управление инвентарем
- Предоставление интерфейсов для инвалидов
Несколько спекулятивно, продолжает он, «микромоторы в сочетании с Smart Dust открывают интересную возможность создания синтетических насекомых». Как и во всех благонамеренных планах, с такими насекомыми могут быть проблемы, о чем напоминает нам управляющий агент Максвелл Смарт.
Переходя от ранней и фундаментальной работы Пистера к сегодняшним дням, исследователи из Мичиганского университета под руководством профессоров Дэвида Блаау, Денниса Сильвестра, Дэвида Венцлофа и Прабала Датты недавно объявили о создании «Мичиганского микромотыла». ” Дизайн стал настоящим прорывом: ранняя версия, названная Phoenix, была настолько мала, что ее можно было вставить в человеческий глаз для контроля внутриглазного давления, критического измерения для людей с глаукомой.
Сегодняшняя версия представляет собой многослойную интегральную схему со встроенными солнечными элементами, батареей, микропроцессором, датчиками, радио и памятью. Мичиганские пылинки в настоящее время бывают трех типов: измеряют температуру, давление или изображения. (В настоящее время имидж-сканер выводит изображения с разрешением 160 x 160 пикселей).
Три типа Michigan Micro Mote
< бр />
Температурный датчик Michigan Micro Mote балансирует на грани копейки
< бр />
Крупный план датчика температуры Michigan Micro Mote
Поскольку пылинки должны быть независимыми от энергии, они получают энергию от батареи или путем сбора энергии света с помощью фотоэлемента (или и того, и другого). Некоторые пылинки могут даже собирать вибрационную, тепловую или биологическую энергию. Даже лучше, чем иметь достаточную мощность, в первую очередь не нуждаться в ней. С этой целью исследователи из Мичигана снизили энергопотребление пылинок до невообразимо малых уровней. Упомянутый выше монитор глаукомы потреблял всего 35 пВт энергии в режиме ожидания. Чтобы понять, насколько это мало, одна человеческая клетка потребляет 1 пВт.
Micro Mote представляет собой «бутерброд» из 7 или 8 слоев, некоторые из которых можно «смешивать и сочетать» для обеспечения определенной функциональности. Давайте посмотрим на Imager Micro Mote.
< бр />
Крупный план тепловизора Michigan Micro Mote
Поперечное сечение имидж-сканера Michigan Micro Mote, показывающее отдельные слои
< бр />
Экран Michigan Micro Mote в вестибюле Музея истории компьютеров
Micro Mote является одновременно и эволюционным, и революционным: эволюционным в том смысле, что он использует предсказание закона Мура о постоянно уменьшающихся размерах цепей; революционным в уникальном способе упаковки и соединения нескольких слоев для создания единого устройства, использующего бесконечно малое количество энергии. Как и предсказывает закон Белла, по мере того, как пылинка превращалась в жизнеспособную вычислительную платформу, в поле зрения появлялись новые приложения:
Новый экспонат
Экран Michigan Micro Mote в вестибюле Музея истории компьютеров
Поскольку увидеть значит поверить, Музей компьютерной истории в сотрудничестве с Мичиганским университетом создал уникальную экспозицию, посвященную Micro Mote, в нашем вестибюле.
Это простая, но эффективная демонстрация: большие вещи приходят в маленьких упаковках. На остроконечном конце трех мячей для гольфа находятся три типа Micro Mote… наперсток рядом содержит много десятков Micro Mote. Можете ли вы угадать, сколько? (Спросите на стойке регистрации для ответа). Для тех из вас, у кого хорошее чувство компьютерной истории (и юмора), есть также перфокарта с Micro Mote, спрятанным в единственном перфорированном отверстии карты. (Перфокарты использовались с первых дней вычислительной техники в 1940-х годах примерно до 1980-х годов). Подумайте о последствиях этого: отверстие в перфокарте представляет собой один бит, а Micro Mote, который плотно помещается внутри него, представляет собой полноценную компьютерную систему.
Заглядывая вперед
Потенциал пылинок завораживает, а техническое мастерство команды из Мичигана просто ошеломляет. Чрезвычайно сложно работать в таком масштабе, когда управление питанием настолько затруднено — пылинки должны потреблять так мало энергии, что ее едва ли можно измерить даже с помощью специальных приборов.Micro Mote — это результат многолетней работы узкоспециализированной исследовательской группы, раздвигающей границы возможного.
Тем не менее, есть некоторые опасения по поводу того, как пылинки будут развернуты в нашем мире. Как, казалось бы, и все технологии, от молотка до веб-сайта, возможны как хорошие, так и плохие результаты. Чаще всего хорошее и плохое использование технологии существуют одновременно. Когда дело доходит до частиц, защитники конфиденциальности поднимают вопрос о скрытом слежении, в то время как врачи ждут клинических приложений, которые улучшат мониторинг пациентов. Эксперты по безопасности высказывают опасения по поводу потенциальной уязвимости сетей беспроводных датчиков для взлома (проблема, особенно если они используются в инфраструктурных приложениях), а ученые-экологи не могут дождаться момента, когда можно будет расставить пылинки по своему любимому полю или пологу леса.
< /p>
Что это, мобильный телефон для муравьев? Насколько меньше вещи могут стать на самом деле? Вымышленный мужчина-супермодель Дерек Зуландер со своим смехотворно маленьким мобильным телефоном.
Всего несколько десятилетий назад те самые пылинки, которые тысячами выпадают из самолета, весили бы по несколько тонн и занимали бы большую комнату. Кажется невероятным, что мы дошли до этого момента. И все же неумолимый инкрементализм закона Мура и течение времени приводят нас сюда. Можем ли мы выйти за пределы Micro Motes? Нам это нужно? Это конец закона Белла? Оставайтесь с нами.
Выражаем особую благодарность Кэтрин Джун и профессорам Блаууу и Сильвестру из Мичиганского университета за их помощь и за передачу микрочастиц в постоянную коллекцию Музея.
Об авторе
Даг Спайсер является старшим куратором CHM и отвечает за создание интеллектуальных рамок и интерпретационных схем различных программ и выставок Музея. Он также возглавляет стратегическое направление Музея, связанное с его коллекцией компьютерных артефактов, фильмов, документов, программного обеспечения и эфемеров — самой большой коллекцией компьютеров и связанных с ними материалов в мире.
Инхи Ли адаптирует датчик для измерения света улиток
Чтобы понять, как один вид древесных улиток на островах Общества в южной части Тихого океана выжил, когда более 50 других были уничтожены, биологам из Мичиганского университета понадобился крошечный датчик, который можно было бы прикрепить к раковине улитки и отслеживать, сколько солнечного света улитка, с которой сталкиваются каждый день.
Инхи Ли , доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Суонсона Университета Питтсбурга, помог разработать датчик Michigan Micro Mote (M3), который считается самым маленьким компьютером в мире, а в Мичиганском университете. Ли удалось приспособить датчик для целей биологов, помогая разгадать тайну выживания улиток.
Датчик должен был определить, дает ли их белая раковина эволюционное преимущество этим улиткам, отслеживая свет. Поскольку датчик уже мог заряжать собственные батареи солнечными элементами, Ли понял, что может непрерывно измерять уровень освещенности, измеряя скорость, с которой заряжается батарея.
"У нас уже была крошечная конструкция датчика, но нам нужно было изменить датчики для обнаружения света", – объяснил Ли. "Поскольку датчик уже может заряжать свои батареи солнечными элементами, мы можем непрерывно измерять уровень освещенности, измеряя скорость, с которой заряжается батарея."
Инхи Ли прикрепляет компьютерную систему Michigan Micro Mote к листу с улиткой Partula hyalina. Изображение предоставлено: Синди Бик.
Более 50 видов древесных улиток на островах Общества в южной части Тихого океана были уничтожены после интродукции чужеродных хищных улиток в 1970-х годах, но Partula hyalina с белым панцирем выжила.
>Теперь, благодаря сотрудничеству биологов Мичиганского университета и инженеров, разработавших самый маленький в мире компьютер, ученые поняли, почему: P. hyalina может переносить больше солнечного света, чем ее хищник, поэтому она смогла сохраниться в залитых солнцем местах обитания на опушках леса.
"Нам удалось получить данные, которые никто не мог получить", – сказал Дэвид Блаау, профессор электротехники и компьютерных наук Университета Кенсалла Д. Уайза. «И это потому, что у нас была крошечная вычислительная система, которая была достаточно мала, чтобы держаться на улитке».
Большинство экологических и природоохранных исследований с использованием данных датчиков проводятся на позвоночных животных, которые могут нести более крупные и тяжелые устройства, чем беспозвоночные.Настоящее исследование не только дает представление о мерах по сохранению, необходимых для обеспечения выживания вида улиток, но и указывает путь для будущих исследований очень мелких животных в рамках аналогичных партнерских отношений.
"Большая часть самой интересной научной работы выполняется на интерфейсе, где у вас есть классическая проблема и вам нужно использовать новые подходы для поиска решения", – сказал Диармейд О Фойхил, профессор экологии и эволюционной биологии (EEB) и Куратор Зоологического музея UM.
Компания Michigan Micro Mote (M3), считающаяся самым маленьким компьютером в мире, была анонсирована в 2014 году командой под руководством Блаау. Это было его первое полевое применение.
"Компьютеры-датчики помогают нам понять, как защитить эндемичные виды на островах, – говорит Синди Бик, получившая докторскую степень. в области экологии и эволюционной биологии от UM в 2018 году. «Если мы сможем нанести на карту и защитить эти среды обитания с помощью соответствующих мер по сохранению, мы сможем найти способы обеспечить выживание вида».
П. hyalina имеет важное культурное значение для полинезийцев из-за своего уникального цвета, что делает его привлекательным для использования в ракушках и украшениях. Древесные улитки также играют жизненно важную роль в островных лесных экосистемах, поскольку являются доминирующей группой местных пастбищ.
Как истребили улиток с Острова Общества
Гигантская африканская наземная улитка была завезена на острова Общества, включая Таити, для выращивания в качестве источника пищи, но стала серьезным вредителем. Чтобы контролировать его популяцию, в 1974 году ученые-агрономы завезли розовую волчью улитку. Но, к сожалению, большинство из 61 известного вида местных древесных улиток Островов Общества были легкой добычей для розовой волчьей улитки. П. hyalina — одна из пяти выживших в дикой природе. Прозванные «дарвиновскими зябликами мира улиток» за их островное разнообразие, исчезновение стольких видов Partula является ударом для биологов, изучающих эволюцию.
«Эндемичные древесные улитки никогда не сталкивались с таким хищником, как чужеродная розовая улитка-волк, до того, как она была преднамеренно интродуцирована. Он может лазить по деревьям и очень быстро привел к вымиранию большей части населения долины», — сказал О Фойгил.
В 2015 году Фойгил и Бик предположили, что P. характерный белый панцирь hyalina может дать ему важное преимущество в местах обитания на опушке леса, отражая, а не поглощая уровни светового излучения, которые были бы смертельными для его хищника с более темным панцирем. Чтобы проверить свою идею, им нужно было отслеживать уровень освещенности P. hyalina и розовые волчьи улитки в обычный день.
Бик и О Фойгил хотели прикрепить к улиткам датчики света, но система, созданная с использованием имеющихся в продаже чипов, была бы слишком велика для их целей.
Соответствие технологии приложению
«В 2015 году я огляделся, чтобы узнать, у кого есть технология, позволяющая отслеживать улиток, и обнаружил, что люди, которые могут это делать, тоже работают в Мичигане. Это было счастливо», — сказал Бик.
Система, которую Бик нашел в Интернете, была известна как Michigan Micro Mote (M3). Она была создана, чтобы работать там, где другие датчики не могли этого сделать. Имея размеры всего 2 x 5 x 2 мм, включая упаковку, его можно использовать для отслеживания животных размером с розовую улитку-волка (со взрослой раковиной 3–7 см) в их естественной среде обитания.
Но можно ли изменить его, чтобы он чувствовал свет? Пришло время перенести M3 из лаборатории в реальный мир и адаптировать его к особым потребностям своих сотрудников.
"Было важно понять, о чем думают биологи и что им нужно, – говорит Инхи Ли, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Питтсбургского университета, получивший докторскую степень. в 2014 году в Университете штата Массачусетс по электротехнике и вычислительной технике. Ли адаптировал M3 для исследования.
Первым шагом было выяснить, как измерить интенсивность света в местах обитания улиток. В то время команда только что добавила в систему M3 сборщик энергии для подзарядки батареи с помощью крошечных солнечных элементов, разработанных Джейми Филлипсом. Ли понял, что может непрерывно измерять уровень освещенности, измеряя скорость зарядки аккумулятора. Харвестер был способен измерить эту скорость зарядки.
М3, разработанные для этого исследования, потребляли всего 40 нановатт в режиме ожидания и 228 нановатт при активном зондировании. Чтобы дать представление о том, насколько это ничтожно, скажем, что в одном ватте содержится 1 миллиард нановатт. С чрезвычайно маленькой батареей, включенной в M3, которая может обеспечить всего несколько миллионов ватт в течение одного часа, каждый наноампер имеет значение. Способность M3 работать на таком малом энергопотреблении была ключом к его успеху.
Полевые работы на Таити показывают P. hyalina выдерживает в 10 раз больше света
После местных испытаний, проведенных местными мичиганскими улитками, 50 M3 были отправлены на Таити в 2017 году. Бик и Ли объединили свои усилия с Тревором Кутом, известным полевым биологом и специалистом по французским полинезийским улиткам.
Команда приклеила датчики непосредственно к розовым волчьим улиткам, но P. hyalina является охраняемым видом и требует непрямого подхода. Они ведут ночной образ жизни, обычно спят днем, прикрепившись под листьями. Используя магниты, команда поместила M3 как на верхние, так и на нижние стороны листьев, в которых покоятся P. гиалина. В конце каждого дня Ли загружал данные с каждого M3 по беспроводной сети.
Данные выявили существенную разницу в том, сколько солнца достигало мест обитания выживших P. hyalina в отличие от розовой улитки-волка. В полдень P. hyalina получали в среднем в 10 раз больше солнечного света, чем розовые улитки-волки. В частности, средняя интенсивность света достигла от 7674 до 9072 люкс для P. hyalina, но только от 540 до 762 люкс для розовой улитки-волка.
Исследователи подозревают, что розовый волк не уходит достаточно далеко на опушку леса, чтобы поймать P. hyalina, даже под покровом темноты, потому что они не смогут уйти в тень, пока солнце не станет слишком жарким.
Модель будущего сотрудничества между биологами и инженерами
Успех этого проекта открыл новые горизонты как для инженеров, так и для биологов.
"Недооценивают, насколько важен шаг из лаборатории в поле и получение значимых данных", – сказал Блаау. "Для продвижения технологии важно добиться успеха, но для этого требуется большое доверие со стороны сотрудников".
"M3 действительно открывает окно того, что мы можем сделать с поведенческой экологией беспозвоночных, и мы находимся в преддверии этих возможностей", – добавил Фойгил.
Этот проект уже способствовал последующему сотрудничеству инженеров, экологии и эволюционной биологии в отслеживании бабочек-монархов. И другие проекты находятся в разработке.
Исследование опубликовано Communications Biology в статье «Умные датчики миллиметрового размера показывают, что солнечное убежище защищает древесную улитку Partula hyalina от истребления», авторы Синди Бик, Инхи Ли, Тревор Кут, Аманда Хапонски. , Дэвид Блаау и Диармайд О Фоигил.
Проект был поддержан программой U-M MCubed, созданной для стимулирования и поддержки инновационных исследований среди междисциплинарных команд. Дополнительное финансирование лаборатории Блаау было предоставлено Департаментом экологии и эволюционной биологии, а также Национальным научным фондом и компанией Arm Ltd.
Читайте также: