За последние два с половиной столетия мир пережил три промышленные революции. Во время первой началось строительство заводов и фабрик, а люди стали перебираться из деревень в города. Вторая привела к возникновению новых отраслей: электроэнергетики, автомобилестроения, нефтехимической промышленности. Третья запомнилась развитием связи, появлением персональных компьютеров и смартфонов. И сейчас мы снова стоим на пороге перемен. Какими они будут? Рассказываем о новых разработках, которые уже начали менять нашу реальность.
Современные инновации в строительстве
«Умное» стекло
Смарт-стекло — инновационный материал, прозрачностью которого можно управлять. Внутри находится жидкокристаллическая пленка, к которой подведен ток низкого напряжения. Когда электричество выключено, кристаллы пленки располагаются хаотично и образуют матовую поверхность. Ток упорядочивает их расположение, и стекло становится прозрачным.
В обоих случаях способность материала пропускать свет не меняется. Это делает смарт-стекло современной альтернативой жалюзи и шторам. Но у материала есть и недостаток — высокое энергопотребление.
Прозрачная древесина
Ученые из США и Швеции создали необычный стройматериал — прозрачную древесину. Днем она поглощает тепло, а ночью удерживает его в помещении. Потребность в искусственном освещении и отоплении уменьшается, а вместе с ней и расходы на коммунальные платежи.
Для создания наноматериала исследователи удалили из натуральной древесины лигнин, молекулы которого придают характерный цвет, и заполнили образовавшиеся поры акрилом. Готовые бруски покрыли эпоксидной смолой — это увеличило их прочность в 4–5 раз.
По мнению ученых, прозрачная древесина в будущем может стать экологичной альтернативой пластиковым оконным рамам и бетонным стенам. Она сокращает потребность в использовании материалов на основе нефти, а, значит, в атмосферу попадет меньше парниковых газов.
Энергосберегающие кирпичи
Группа ученых из Университета Вашингтона в Сэнт-Луисе создала кирпичи, способные накапливать и хранить солнечную энергию. В состав стройматериала входит энергосберегающий полимер. Эксперимент показал, что каждый кирпич может обеспечивать питание небольшой лампочки. А 50 кирпичей достаточно, чтобы зажечь аварийное освещение. По словам специалистов по разработке, в будущем энергетический потенциал наноматериала может быть увеличен в 10 раз.
Сейчас для хранения энергии используют литий-ионные батареи, но их производство приводит к выбросам парниковых газов, а неправильная утилизация — к загрязнению окружающей среды токсичными металлами и пожарам. Энергосберегающие кирпичи безопаснее для экологии: их можно переработать до 10 тысяч раз, прежде чем они утратят свои свойства.
«Живой» бетон
Ученые из университета штата Колорадо в Боулдере вырастили «живые» строительные блоки из песка, гидрогеля и колоний цианобактерий рода Synechococcus. В процессе размножения бактерии заполняют пространство формы, а при отмирании превращаются в карбонат кальция — основной ингредиент бетона.
«Живые» стройматериалы способны самовосстанавливаться, заполняя трещины и сколы. Кроме того, они краснеют при повышении концентрации токсичных веществ в воздухе. Ученые предполагают, что из таких блоков можно будет строить дома для первых колонизаторов Марса.
Графен
За это новое открытие русские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 году получили Нобелевскую премию. Графен состоит из атомов углерода. Он в 300 тысяч раз тоньше листа бумаги и при этом прочнее стали и алмаза. Кроме того, графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью.
Изобретение активно применяют в строительстве. Так, если включить его в состав стальных конструкций, они станут более легкими и прочными. А еще он способен в четыре раза увеличить влагоустойчивость бетона.
Инновации и технологии, которые спасут человечество от голода
Еда, напечатанная на 3D-принтере
3D-печать позволяет создавать блюда с определенной структурой, формой, составом, содержанием питательных веществ. Например, можно сделать макароны в виде бутонов роз или замок из моркови. А функция контроля концентрации белков, жиров и углеводов полезна для людей с индивидуальными потребностями в питании, в том числе для спортсменов.
Инновационная разработка пригодна не только для высокой кухни и диетического питания. С ее помощью легко «приготовить» привлекательные блюда из того, что на первый взгляд кажется несъедобным: картофельной кожуры, мятых плодов, водорослей, фруктового и овощного жмыха и даже насекомых. Современная научная технология может помочь в решении проблемы нехватки продовольствия: по данным ООН, в 2022 году около 735 миллионов жителей Земли страдали от голода.
Мясо из пробирки
Согласно прогнозу ООН, к 2050 году численность населения планеты превысит 9,5 млрд. Чтобы накормить всех людей, потребуется увеличить производство продуктов питания на 70%. Это неизбежно отразится на экологии, но ученые нашли выход — привычную говядину, свинину и курятину может заменить «мясо из пробирки».
Культивированное мясо выращивают в лабораториях, в чашках Петри или в специальных контейнерах. Для этого используют клетки, способные быстро размножаться, например, стволовые. В них вводят протеины, ускоряющие рост тканей. После этого клетки помещают в биореактор, снабжающий их необходимыми веществами подобно кровеносным сосудам.
Одно из преимуществ новой технологии — возможность контролировать состав. Например, можно сократить количество насыщенных жиров и обогатить продукт полезными жирными кислотами омега-3.
Биохолодильник
Юрий Дмитриев, выпускник Чувашского Государственного Университета им. И. Н. Ульянова, создал проект холодильника будущего. Прибор получил название Bio Robot Refrigerator. Это сравнительно небольшой шкаф с прозрачной дверцей и блоком биополимерного геля внутри. Гель не прилипает к продуктам и не портит их, хотя плавающие в нем куски сыра или яблоки выглядят сюрреалистично.
Размер Bio Robot Refrigerator меняется в зависимости от степени наполнения. Еще одно достоинство прибора — автоматический подбор оптимальной температуры. Кроме того, биохолодильник можно разместить где угодно, например, прикрепить к потолку.
Плавучие фермы
Сельскохозяйственные угодья занимают 38% поверхности суши. Их площадь продолжает расти. Это значит, что в будущем земли, пригодной для выращивания продовольствия, может не хватить. Пора переходить к освоению морей.
Первую в мире плавучую ферму построили в Нидерландах. Это трехэтажная платформа из стали и стекла, где содержат коров. Ферма работает по принципу эко-производства: электричество вырабатывают солнечные панели. Подобные фермы могут появиться и в других городах — это позволит не только расширить площадь сельхозугодий, но и сократить время транспортировки продуктов до потребителей.
Новые изобретения в медицине
Экзоскелеты
Это мобильные механизмы, предназначенные для восполнения утраченных функций опорно-двигательной системы человека. А еще — для увеличения силы мышц и амплитуды движений. Экзоскелеты применяют во многих сферах: от медицинской реабилитации до промышленного производства. Они весят около 20 кг, но человек не ощущает тяжесть конструкции, так как система автоматизирована и самостоятельно воспроизводит различные движения.
В 2020 году ученые из Стэнфорда создали прототип экзоскелета, способного снизить затраты энергии на быструю ходьбу и бег, а также защитить ноги от чрезмерной нагрузки. Использование новой технологии может облегчить жизнь тех, кто вынужден много двигаться, например курьеров и почтальонов. А еще существуют экзоскелеты, поддерживающие руки и плечи людей, работающих с тяжелыми инструментами.
Цифровые двойники
Американская компания Q Bio разработала платформу Q Bio Gemini, отображающую состояние здоровья человека в виде его «цифрового двойника» — виртуальной модели, наглядно демонстрирующей изменения в теле пациента. Благодаря передовой цифровой технологии результаты обследования можно сохранить и отправить врачу, даже если он находится на другом конце света.
Q Bio Gemini работает на базе автономного сканера тела QBio Mark I. Сканирование занимает менее 15 минут и может выполняться в любом положении: стоя, сидя или лежа. При этом человек не подвергается облучению, как при компьютерной томографии, и не находится в закрытом пространстве, как во время МРТ. «В перспективе наша способность оцифровывать человеческое тело будет способствовать лучшему пониманию процесса протекания заболевания и персонализированных прогнозов здоровья» — сказал основатель Q Bio Джеффри Кадиц.
Интеллектуальная маска для лица
Масочный режим научил иметь при себе средства защиты. Одно из самых современных и технологичных — «умная» маска Project Hazel. Она измеряет частоту дыхания владельца и обеспечивает надежную защиту от пыли, брызг и аллергенов. В маску встроен датчик, который синхронизируется с приложением на смартфоне. В приложении отображаются данные о загрязняющих веществах, попавших в фильтр Project Hazel, о длительности ее использования, о количестве вдохов в минуту. Кроме того, владелец маски получает рекомендации: стоит ли продолжать носить средство защиты или воздух настолько чист, что им можно дышать, не опасаясь за свое здоровье?
Во время зарядки Project Hazel активирует систему ультрафиолетовой стерилизации и уничтожает вирусы и бактерии, попавшие на ее поверхность. Еще одно преимущество современной техники — встроенный микрофон, позволяющий не снимать маску во время разговора.
Робокот-антистресс
Общение с кошками, собаками и другими животными-компаньонами благотворно влияет на ментальное здоровье и даже облегчает течение психических заболеваний. Но как быть тем, у кого нет возможности завести питомца? Японская компания Yukai Engineering нашла решение: она создала игрушку-робота, имитирующую нежное покусывание котенка или щенка. Создатели утверждают, что механический питомец «делает кусь» двадцатью разными способами, чередуя их в случайном порядке. Благодаря этому взаимодействие с современной технологией выглядит максимально естественным. Компания выпускает еще одну модель робота-антистресс: собаку породы сиба-ину. «Я думаю, что многие люди хотели бы снова и снова наслаждаться ощущением покусывания домашних животных», — сказал Масахиро Шиоми, директор Международного института передовых телекоммуникационных исследований в Японии, в интервью Yukai Engineering.
Перспективные инновационные технологии, способные предотвратить экологические катастрофы
Робот — ядерный инспектор
Европейский центр ядерных исследований создал роботизированных инспекторов TIM (Train Inspection Monorail). Их задача — следить за состоянием Большого адронного коллайдера — самого мощного ускорителя частиц в мире. При необходимости роботы измеряют уровень радиации и находят ее источник, а также делают снимки исследуемых участков и отправляют их операторам.
Еще одну модель роботов-инспекторов создала британская компания Dounreay совместно с Центром робототехники и искусственного интеллекта в ядерной отрасли. Основная задача современного устройства — помощь в выводе ядерных объектов из эксплуатации. Робот Lyra оснащен камерами, манипуляторами и системами наведения. Одна из последних разработок может замерять радиационный фон и брать анализ воздуха в местах, где опасно находиться людям.
Молекулярный мониторинг сточных вод
Компания Biobot Analytics разработала технологию анализа жидкости из городской канализации для своевременного обнаружения вспышек COVID-19, кишечных инфекций, токсичных веществ или новых вирусов. При исследовании образцов используются молекулярные технологии и искусственный интеллект.
Анализ сточных вод позволяет привлечь к сбору данных группы населений, которые не обращаются к врачу и отказываются сдавать анализы. Эта технология используется более чем на 700 очистных сооружениях, обслуживающих около 100 млн человек.
Принтер для коралловых рифов
Из-за глобального потепления коралловые рифы разрушаются и могут полностью исчезнуть к 2100 году. Это место обитания множества рыб, ракообразных, моллюсков. Кроме того, коралловые рифы защищают берега от разрушительного воздействия волн.
Израильские ученые из Университета Бен-Гуриона и Технологического института Техниона создали прибор, который сканирует существующие кораллы, а затем печатает их объемную копию. 3D-печать позволяет создавать рифы любой формы, с порами, туннелями и пещерами, привлекающими обитателей морей. Эксперименты показали, что искусственные кораллы быстро зарастают водорослями и становятся домом для множества живых существ.
Звуковое оружие против лесных пожаров
Студенты из Университета Джорджа Мейсона сконструировали огнетушитель, способный погасить пламя при помощи низкочастотного звука. Лучший результат показали басы: частота 30–60 герц увеличивает скорость движения воздуха и отделяет топливо от кислорода. Пока прибор успешно борется лишь с небольшими очагами возгорания, но изобретатели планируют его усовершенствовать. Они предполагают, что звуковые огнетушители можно установить на беспилотниках и использовать для сдерживания лесных пожаров.
