A navigation system with 10 centimeter accuracy

ENG: A lot of our vital infrastructure relies on global navigation satellite systems such as the US GPS and EU Galileo. Yet these systems that rely on satellites have their limitations and vulnerabilities. Their radio signals are weak when received on Earth, and accurate positioning is no longer possible if the radio signals are reflected or blocked by buildings. The aim of the project entitled SuperGPS was to develop an alternative positioning system that makes use of the mobile telecommunication network instead of satellites and that could be more robust and accurate than GPS. The researchers have succeeded and have successfully developed a system that can provide connectivity just like existing mobile and Wi-Fi networks do, as well as accurate positioning and time distribution like GPS.

Credit: TU Delft

One of these innovations is to connect the mobile network to a very accurate atomic clock, so that it can broadcast perfectly timed messages for positioning, just like GPS satellites do with the help of the atomic clocks they carry on board. These connections are made through the existing fiber-optic network. With new techniques they can turn the network into a nationwide distributed atomic clock – with many new applications such as very accurate positioning through mobile networks.

Furthermore, the system employs radio signals with a bandwidth much larger than commonly used. Buildings reflect radio signals, which can confuse navigation devices. The large bandwidth of the system helps sorting out these confusing signal reflections, and enables higher positioning accuracy. At the same time, bandwidth within the radio spectrum is scarce and therefore expensive. The researchers circumvent this by using a number of related small bandwidth radio signals spread over a large virtual bandwidth. This has the advantage that only a small fraction of the virtual bandwidth is actually used and the signals can be very similar to those of mobile phones.

RO: O mare parte din infrastructura noastră vitală se bazează pe sistemele globale de navigație prin satelit, cum ar fi GPS din SUA și Galileo din UE. Aceste sisteme care se bazează pe sateliți au limitările și vulnerabilitățile lor. Semnalele lor radio sunt slabe atunci când sunt recepționate pe Pământ, iar poziționarea precisă nu mai este posibilă dacă semnalele radio sunt reflectate sau blocate de clădiri. Scopul proiectului intitulat SuperGPS a fost acela de a dezvolta un sistem de poziționare alternativ care să utilizeze rețeaua de telecomunicații mobile în locul sateliților și care să fie mai robust și mai precis decât GPS. Cercetătorii au reușit și au dezvoltat cu succes un sistem care poate oferi conectivitate la fel ca rețelele mobile și Wi-Fi existente, precum și poziționare precisă și distribuție a timpului la fel ca GPS.

Una dintre aceste inovații constă în conectarea rețelei mobile la un ceas atomic foarte precis, astfel încât să poată difuza mesaje perfect sincronizate pentru poziționare, la fel cum fac sateliții GPS cu ajutorul ceasurilor atomice pe care le au la bord. Aceste conexiuni se realizează prin intermediul rețelei de fibră optică existente. Cu ajutorul noilor tehnici, ei pot transforma rețeaua într-un ceas atomic distribuit la nivel național – cu multe aplicații noi, cum ar fi poziționarea foarte precisă prin intermediul rețelelor mobile.

În plus, sistemul utilizează semnale radio cu o lățime de bandă mult mai mare decât cea folosită în mod obișnuit. Clădirile reflectă semnalele radio, ceea ce poate deruta dispozitivele de navigație. Lățimea de bandă mare a sistemului ajută la sortarea acestor reflexii de semnal confuze și permite o precizie mai mare a poziționării. În același timp, lățimea de bandă din spectrul radio este limitată și, prin urmare, costisitoare. Cercetătorii ocolesc acest aspect prin utilizarea unui număr de semnale radio cu lățime de bandă mică, răspândite pe o lățime de bandă virtuală mare. Acest lucru are avantajul că doar o mică parte din lățimea de bandă virtuală este utilizată efectiv, iar semnalele pot fi foarte asemănătoare cu cele ale telefoanelor mobile.

Source (TU Delft, “A navigation system with 10 centimeter accuracy”, 16.11.2022)

Paper: Koelemeij, J.C., Dun, H., Diouf, C.E., Dierikx, E.F., Janssen, G.J. and Tiberius, C.C., 2022. A hybrid optical–wireless network for decimetre-level terrestrial positioning. Nature611(7936), pp.473-478.

Introducing FathomNet: New open-source image database unlocks the power of AI for ocean exploration

ENG: FathomNet is an open-source image database that uses state-of-the-art data processing algorithms to help process the backlog of visual data. Using artificial intelligence and machine learning will alleviate the bottleneck for analyzing underwater imagery and accelerate important research around ocean health.

Recent advances in machine learning enable fast, sophisticated analysis of visual data, but the use of artificial intelligence in ocean research has been limited by the lack of a standard set of existing images that could be used to train the machines to recognize and catalog underwater objects and life. FathomNet addresses this need by aggregating images from multiple sources to create a publicly available, expertly curated underwater image training database.

Over the past 35 years, MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Instituted) has recorded nearly 28,000 hours of deep-sea video and collected more than 1 million deep-sea images. This trove of visual data has been annotated in detail by research technicians in MBARI’s Video Lab. MBARI’s video archive includes approximately 8.2 million annotations that record observations of animals, habitats, and objects. This rich dataset is an invaluable resource for researchers at the institute and collaborators around the world.

As an open-source web-based resource, other institutions can contribute to and use FathomNet instead of traditional, resource-intensive efforts to process and analyze visual data. MBARI launched a pilot program to use FathomNet-trained machine-learning models to annotate video captured by remotely operated underwater vehicles (ROVs). Using AI algorithms reduced human effort by 81 percent and increased the labeling rate tenfold. Machine-learning models trained with FathomNet data also have the potential for revolutionizing ocean exploration and monitoring. For example, outfitting robotic vehicles with cameras and improved machine-learning algorithms can eventually enable automated search and tracking of marine animals and other underwater objects.

RO: FathomNet este o bază de date de imagini cu acces liber, care utilizează algoritmi de ultimă generație de procesare a datelor pentru a ajuta la analiza datelor vizuale acumulate. Folosirea inteligenței artificiale și a învățării automate va atenua blocajul în ceea ce privește analiza imaginilor subacvatice și va accelera cercetările importante privind sănătatea oceanelor.

Progresele recente în domeniul învățării automate permit o analiză rapidă și sofisticată a datelor vizuale, dar utilizarea inteligenței artificiale în cercetarea oceanică a fost limitată de lipsa unui set standard de imagini existente care ar putea fi utilizate pentru a antrena algoritmii să recunoască și să catalogheze obiectele și viața subacvatică. FathomNet răspunde acestei nevoi prin agregarea de imagini din mai multe surse pentru a crea o bază de date care conține imagini subacvatice, disponibilă publicului și curatoriată de experți.

În ultimii 35 de ani, MBARI (Institutul de Cercetare al Acvariului din Monterey Bay) a colectat aproape 28.000 de ore de înregistrări video la mare adâncime și a colectat mai mult de 1 milion de imagini din oceane. Acest tezaur de date vizuale a fost adnotat în detaliu de către tehnicienii de cercetare din laboratorul video al MBARI. Arhiva include aproximativ 8,2 milioane de adnotări care înregistrează observații ale animalelor, habitatelor și obiectelor oceanine. Acest set bogat de date reprezintă o resursă neprețuită pentru cercetătorii de la institut și pentru colaboratorii din întreaga lume.

Fiind o resursă cu acces liber, și alte instituții pot contribui la FathomNet și îl pot utiliza în locul metodelor tradiționale, care necesită multe resurse de procesare și analiză a datelor vizuale. MBARI a lansat un program pilot pentru a utiliza modele de învățare automată antrenate de FathomNet pentru a adnota înregistrările video capturate de vehiculele subacvatice operate de la distanță. Utilizarea algoritmilor de inteligență artificială a redus efortul uman cu 81% și a crescut de zece ori rata de etichetare. Modelele de învățare automată antrenate cu datele FathomNet au, de asemenea, potențialul de a revoluționa explorarea și monitorizarea oceanelor. De exemplu, echiparea vehiculelor robotizate cu camere de luat vederi și algoritmi îmbunătățiți de învățare automată poate permite, în cele din urmă, căutarea și urmărirea automată a animalelor marine și a altor obiecte subacvatice.

Source (MBARI – Monterey Bay Aquarium Research Institute, “Introducing FathomNet: New open-source image database unlocks the power of AI for ocean exploration”, 18.10.2022)

Paper: Katija, K., Orenstein, E., Schlining, B., Lundsten, L., Barnard, K., Sainz, G., Boulais, O., Cromwell, M., Butler, E., Woodward, B. and Bell, K.L., 2022. FathomNet: A global image database for enabling artificial intelligence in the ocean. Scientific reports12(1), pp.1-14.

Disconnection, not teens’ screen time, is the problem

ENG: While many parents and caregivers believe teens spend too much time on smartphones, video games and social media, a Michigan State University researcher says not to worry about screen time. Keith Hampton, a professor in the Department of Media and Information and director of academic research in the Quello Center, says he doesn’t worry about screen time — he worries about adolescents who are disconnected because they have limited access to the internet.

Credit: Pexels

Hampton and his colleagues study disconnection. For most teens, internet access is a part of their everyday life. These teens only experience disconnection when they choose to limit their device use or when their parents step in to control the time they spend online. However, a large pocket of teens, living primarily in rural America, is disconnected for a very different reason. They live in households where there is an extremely weak infrastructure for broadband connectivity. These teens often have no internet access outside of school, very slow access at home or spotty data coverage using a smartphone.

In a peer-reviewed paper based on a survey of 3,258 rural adolescents, Hampton and his team compared the self-esteem and social activities of teens with no or poor home internet access to teens who are the heaviest users of screens as well as teens with parents who tightly control or limit their screen use. Here is what they found. The single largest predictor of having lower self-esteem was, simply, being a girl. This was unsurprising, as the heavy toll of adolescence on young girls has been well established. The second largest determinant of self-esteem, for girls and boys, was poor grades in school.

Teens who had poor internet access at home and teens who had parents that exerted the most control over their media use also had substantively lower self-esteem — although only roughly half of the lower self-esteem experienced by a typical girl or those with low academic performance. The amount of time teens spent on screens, whether it was watching videos, playing games, or using social media, did not play a big role in teens’ self-esteem. Even teens who were “excessive” users of screens reported higher self-esteem than those who were disconnected because they had poor internet access or their parents exerted a lot of control over their time online.

This does not mean that teens are not spending time socializing in person. Teens who spend more time using social media and watching videos spend more time socializing. Hampton found that every hour spent on social media was accompanied by 21 minutes spent with friends. “Excessive” users of screens were spending more time with family and friends. Hampton said this does not imply that social media platforms are benign. There are real risks to mental health from online bullying and algorithms that focus teens on content that can be harmful. And some teens are more susceptible to harm than others.

RO: În timp ce mulți părinți și îngrijitori cred că adolescenții petrec prea mult timp pe smartphone-uri, cu jocuri video și social media, un cercetător de la Universitatea de Stat din Michigan spune că nu trebuie să ne facem griji cu privire la timpul petrecut în fața ecranelor. Keith Hampton, profesor în cadrul Departamentului de Media și Informații și director de cercetare academică în cadrul Centrului Quello, spune că nu își face griji în legătură cu timpul petrecut în fața ecranelor – își face griji în legătură cu adolescenții care sunt deconectați deoarece au acces limitat la internet.

Hampton și colegii săi studiază deconectarea. Pentru majoritatea adolescenților, accesul la internet face parte din viața lor de zi cu zi. Acești adolescenți experimentează deconectarea doar atunci când aleg să își limiteze utilizarea dispozitivelor sau când părinții intervin pentru a controla timpul pe care îl petrec online. Cu toate acestea, o mare parte a adolescenților, care trăiesc în special în zonele rurale din America, este deconectată dintr-un motiv foarte diferit. Aceștia trăiesc în gospodării în care există o infrastructură extrem de slabă pentru conectivitatea la internet. Adesea, acești adolescenți nu au acces la internet în afara școlii, au acces foarte lent acasă sau au o acoperire de date neregulată atunci când folosesc un smartphone.

Într-o lucrare bazată pe un sondaj efectuat pe 3.258 de adolescenți din mediul rural, Hampton și echipa sa au comparat stima de sine și activitățile sociale ale adolescenților care nu au acces la internet acasă sau au acces slab la internet cu adolescenții care sunt cei mai mari utilizatori de ecrane, precum și cu adolescenții cu părinți care controlează strict sau limitează utilizarea ecranelor. Ei au descoperit că cel mai mare predictor al unei stime de sine mai scăzute a fost, pur și simplu, faptul de a fi fată. Acest lucru nu a fost surprinzător, deoarece a fost bine stabilit faptul că adolescența are un mare impact asupra fetelor tinere. Al doilea mare factor determinant al stimei de sine, atât pentru fete, cât și pentru băieți, a fost reprezentat de notele slabe la școală.

Adolescenții care aveau acces slab la internet acasă și adolescenții care aveau părinți care exercitau cel mai mare control asupra utilizării media au avut, de asemenea, o stimă de sine substanțial mai scăzută – deși numai aproximativ jumătate din stima de sine scăzută pe care o au fetele tipice sau cei cu performanțe școlare scăzute. Cantitatea de timp petrecută de adolescenți în fața ecranelor, fie că era vorba de vizionarea de videoclipuri, de jocuri sau de utilizarea rețelelor sociale, nu a jucat un rol important în stima de sine a adolescenților. Chiar și adolescenții care erau utilizatori “excesivi” de ecrane au raportat o stimă de sine mai mare decât cei care erau deconectați pentru că aveau un acces slab la internet sau pentru că părinții lor exercitau un control foarte mare asupra timpului petrecut online.

Acest lucru nu înseamnă că adolescenții nu petrec timp socializând în persoană. Adolescenții care petrec mai mult timp folosind social media și vizionând videoclipuri petrec mai mult timp socializând. Hampton a constatat că fiecare oră petrecută pe social media a fost însoțită de 21 de minute petrecute cu prietenii. Utilizatorii “excesivi” de ecrane petreceau mai mult timp cu familia și prietenii. Hampton a spus că acest lucru nu implică faptul că platformele de socializare sunt benigne. Există riscuri reale pentru sănătatea mintală din cauza hărțuirii online și a algoritmilor care îi concentrează pe adolescenți pe un conținut care poate fi dăunător. Iar unii adolescenți sunt mai predispuși la daune decât alții.

Source (MSU Today, “MSU research: Disconnection, not teens’ screen time, is the problem”, 02.11.2022)

Paper: Hampton, K.N. and Shin, I., 2022. Disconnection More Problematic for Adolescent Self-Esteem than Heavy Social Media Use: Evidence from Access Inequalities and Restrictive Media Parenting in Rural America. Social Science Computer Review.

Algorithms predict sports teams’ moves with 80% accuracy

ENG: Algorithms developed in Cornell’s Laboratory for Intelligent Systems and Controls can predict the in-game actions of volleyball players with more than 80% accuracy, and now the lab is collaborating with the Big Red hockey team to expand the research project’s applications. The algorithms are unique in that they take a holistic approach to action anticipation, combining visual data – for example, where an athlete is located on the court – with information that is more implicit, like an athlete’s specific role on the team.

Ferrari and doctoral students Junyi Dong and Qingze Huo trained the algorithms to infer hidden variables the same way humans gain their sports knowledge – by watching games. The algorithms used machine learning to extract data from videos of volleyball games, and then used that data to help make predictions when shown a new set of games. The results were published Sept. 22 in the journal ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology, and show the algorithms can infer players’ roles – for example, distinguishing a defense-passer from a blocker – with an average accuracy of nearly 85%, and can predict multiple actions over a sequence of up to 44 frames with an average accuracy of more than 80%. The actions included spiking, setting, blocking, digging, running, squatting, falling, standing and jumping.

Ferrari envisions teams using the algorithms to better prepare for competition by training them with existing game footage of an opponent and using their predictive abilities to practice specific plays and game scenarios. Beyond sports, the ability to anticipate human actions bears great potential for the future of human-machine interaction, according to Ferrari, who said improved software can help autonomous vehicles make better decisions, bring robots and humans closer together in warehouses, and can even make video games more enjoyable by enhancing the computer’s artificial intelligence.

RO: Algoritmii dezvoltați în cadrul Laboratorului pentru Sisteme Intelligente și Control de la Cornell pot prezice acțiunile din timpul jocului ale jucătorilor de volei cu o precizie de peste 80%, iar acum laboratorul colaborează cu echipa de hochei Big Red pentru a extinde aplicațiile proiectului de cercetare. Algoritmii sunt unici prin faptul că adoptă o abordare holistică a anticipării acțiunilor, combinând datele vizuale – de exemplu, locul în care se află un sportiv pe teren – cu informații mai implicite, cum ar fi rolul specific al unui sportiv în echipă.

Ferrari și doctoranzii Junyi Dong și Qingze Huo au antrenat algoritmii pentru a deduce variabilele ascunse în același mod în care oamenii își dobândesc cunoștințele sportive – urmărind meciurile. Algoritmii au folosit învățarea automată pentru a extrage date din videoclipuri cu meciuri de volei, iar apoi au folosit aceste date pentru a ajuta la realizarea de predicții atunci când li s-a arătat un nou set de meciuri. Rezultatele au fost publicate la 22 septembrie în revista ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology și arată că algoritmii pot deduce rolurile jucătorilor – de exemplu, distingând un jucător de apărare-pasare de un jucător de apărare- cu o precizie medie de aproape 85% și pot prezice acțiuni multiple pe o secvență de până la 44 de cadre cu o precizie medie de peste 80%. Printre aceste acțiuni se numără lovirea, pregătirea, blocarea, săparea, alergarea, ghemuirea, căderea, ridicarea și săritura.

Ferrari are în vedere ca echipele să folosească algoritmii pentru a se pregăti mai bine pentru competiție, antrenându-i cu imagini de joc existente ale unui adversar și folosind abilitățile lor de predicție pentru a exersa jocuri specifice și scenarii de joc. Dincolo de sport, capacitatea de a anticipa acțiunile umane are un mare potențial pentru viitorul interacțiunii om-mașină, potrivit lui Ferrari, care a afirmat că un software îmbunătățit poate ajuta vehiculele autonome să ia decizii mai bune, poate ajuta la colaborarea oamenilor cu roboții în depozite și poate chiar face jocurile video mai plăcute prin îmbunătățirea inteligenței artificiale a computerului.

Source (Cornell Chronicle, “Algorithms predict sports teams’ moves with 80% accuracy”, 05.10.2022)

Paper: Dong, J., Huo, Q. and Ferrari, S., 2022. A Holistic Approach for Role Inference and Action Anticipation in Human Teams. ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology (TIST).

A sustainable battery with a biodegradable electrolyte made from crab shells

ENG: Accelerating demand for renewable energy and electric vehicles is sparking a high demand for the batteries that store generated energy and power engines. But the batteries behind these sustainability solutions aren’t always sustainable themselves. In a paper published 1 in the journal Matter, scientists create a zinc battery with a biodegradable electrolyte from an unexpected source – crab shells.

Credit: Cell Press

Batteries use an electrolyte to shuttle ions back and forth between positively and negatively charged terminals. An electrolyte can be a liquid, paste, or gel, and many batteries use flammable or corrosive chemicals for this function. This new battery, which could store power from large-scale wind and solar sources, uses a gel electrolyte made from a biological material called chitosan.

A biodegradable electrolyte means that about two-thirds of the battery could be broken down by microbes – this chitosan electrolyte broke down completely within five months. This leaves behind the metal component, in this case zinc, rather than lead or lithium, which could be recycled.

RO: Cererea accelerată de energie regenerabilă și de vehicule electrice generează o cerere mare de baterii care stochează energia generată și alimentează motoarele. Dar bateriile care stau la baza acestor soluții de sustenabilitate nu sunt întotdeauna sustenabile. Într-o lucrare publicată în revista Matter, oamenii de știință creează o baterie de zinc cu un electrolit biodegradabil dintr-o sursă neașteptată, cum ar fi carapacea de crab.

Bateriile utilizează un electrolit pentru a face transferul ionilor înainte și înapoi între bornele încărcate pozitiv și negativ. Un electrolit poate fi un lichid, o pastă sau un gel, iar multe baterii folosesc substanțe chimice inflamabile sau corozive pentru această funcție. Această nouă baterie, care ar putea stoca energie din surse eoliene și solare la scară largă, utilizează un electrolit gel realizat dintr-un material biologic numit chitosan.

Un electrolit biodegradabil înseamnă că aproximativ două treimi din baterie ar putea fi descompusă de microbi – acest electrolit de chitosan s-a descompus complet în cinci luni. Acesta lasă în urmă componenta metalică, în acest caz zinc, mai degrabă decât plumb sau litiu, care ar putea fi reciclat.

Source (Cell Press. “A sustainable battery with a biodegradable electrolyte made from crab shells.” ScienceDaily. ScienceDaily, 1 September 2022.)

Paper: Wu, M., Zhang, Y., Xu, L., Yang, C., Hong, M., Cui, M., Clifford, B.C., He, S., Jing, S., Yao, Y. and Hu, L., 2022. A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc-metal batteries. Matter.