Robobug: a rechargeable, remote-controllable cyborg cockroach

ENG: Researchers have been trying to design cyborg insects—part insect, part machine—to help inspect hazardous areas or monitor the environment. However, for the use of cyborg insects to be practical, handlers must be able to control them remotely for long periods of time. This requires wireless control of their leg segments, powered by a tiny rechargeable battery. Keeping the battery adequately charged is fundamental—nobody wants a suddenly out-of-control team of cyborg cockroaches roaming around. While it’s possible to build docking stations for recharging the battery, the need to return and recharge could disrupt time-sensitive missions. Therefore, the best solution is to include an on-board solar cell that can continuously ensure that the battery stays charged.

Credit: RIKEN

All of this is easier said than done. To successfully integrate these devices into a cockroach that has limited surface area required the research team to develop a special backpack, ultrathin organic solar cell modules, and an adhesion system that keeps the machinery attached for long periods of time while also allowing natural movements. Led by Kenjiro Fukuda, RIKEN CPR, the team experimented with Madagascar cockroaches, which are approximately 6 cm long. They attached the wireless leg-control module and lithium polymer battery to the top of the insect on the thorax using a specially designed backpack, which was modeled after the body of a model cockroach. The backpack was 3D printed with an elastic polymer and conformed perfectly to the curved surface of the cockroach, allowing the rigid electronic device to be stably mounted on the thorax for more than a month.

The ultrathin 0.004 mm thick organic solar cell module was mounted on the dorsal side of the abdomen. The ultrathin and flexible organic solar cell, and how it was attached to the insect, proved necessary to ensure freedom of movement. After carefully examining natural cockroach movements, the researchers realized that the abdomen changes shape and portions of the exoskeleton overlap. To accommodate this, they interleaved adhesive and non-adhesive sections onto the films, which allowed them to bend but also stay attached.

RO: Cercetătorii au încercat să proiecteze insecte cyborg – parțial insecte, parțial mașini – pentru a le folosi la inspectarea zonelor periculoase sau la monitorizarea mediului înconjurător. Cu toate acestea, pentru ca utilizarea insectelor cyborg să fie practică, cei care le manipulează trebuie să le poată controla de la distanță pentru perioade lungi de timp. Acest lucru necesită controlul fără fir al segmentelor picioarelor, alimentate de o baterie reîncărcabilă minusculă. Menținerea bateriei încărcate în mod adecvat este fundamentală – nimeni nu dorește ca o echipă de gândaci cyborg scăpată brusc de sub control să umble prin preajmă. Deși este posibil să se construiască stații de andocare pentru reîncărcarea bateriei, necesitatea de a reveni și de a reîncărca ar putea întrerupe misiunile sensibile la timp. Prin urmare, cea mai bună soluție este să se includă o celulă solară la bord care să asigure în permanență încărcarea bateriei.

Toate acestea sunt mai ușor de spus decât de făcut. Pentru a reuși să integreze cu succes aceste dispozitive într-un gândac care are o suprafață limitată, echipa de cercetare a trebuit să dezvolte un rucsac special, module de celule solare organice ultra-subțiri și un sistem de aderență care să mențină mașinăria atașată pentru perioade lungi de timp, permițând în același timp mișcări naturale. Condusă de Kenjiro Fukuda, RIKEN CPR, echipa a experimentat cu gândaci de Madagascar, care au o lungime de aproximativ 6 cm. Aceștia au atașat modulul wireless de control al picioarelor și bateria cu polimeri de litiu de partea superioară a insectei, pe torace, folosind un rucsac special conceput, care a fost modelat după corpul unui model de insectă. Rucsacul a fost imprimat 3D cu un polimer elastic și s-a adaptat perfect la suprafața curbată a gândacului, permițând dispozitivului electronic rigid să fie montat stabil pe torace timp de mai bine de o lună.

Modulul ultra-subțire de celule solare organice cu o grosime de 0,004 mm a fost montat pe partea dorsală a abdomenului. Celula solară organică ultra-subțire și flexibilă, precum și modul în care a fost atașată insectei, s-au dovedit a fi necesare pentru a asigura libertatea de mișcare. După ce au examinat cu atenție mișcările naturale ale gândacilor, cercetătorii și-au dat seama că abdomenul își schimbă forma și porțiuni ale exoscheletului se suprapun. Pentru a se adapta la acest lucru, ei au intercalat secțiuni adezive și neadezive pe pelicule, ceea ce le-a permis să se îndoaie, dar și să rămână atașate.

Source (RIKEN, “Robobug: a rechargeable, remote-controllable cyborg cockroach”, 06.09.2022)

Paper: Kakei, Y., Katayama, S., Lee, S., Takakuwa, M., Furusawa, K., Umezu, S., Sato, H., Fukuda, K. and Someya, T., 2022. Integration of body-mounted ultrasoft organic solar cell on cyborg insects with intact mobility. npj Flexible Electronics6(1), pp.1-9.

New AI system predicts how to prevent wildfires

ENG: Wildfires are a growing threat in a world shaped by climate change. Now, researchers at Aalto University have developed a neural network model that can accurately predict the occurrence of fires in peatlands. The study focused on the Central Kalimantan province of Borneo in Indonesia, which has the highest density of peatland fires in Southeast Asia. Drainage to support agriculture or residential expansion has made peatlands increasingly vulnerable to recurring fires.

Credit: Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team / NASA

The new model uses measurements taken before each fire season in 2002-2019 to predict the distribution of peatland fires. The researchers used a convolutional neural network to analyse 31 variables, such as the type of land cover and pre-fire indices of vegetation and drought. Once trained, the network predicted the likelihood of a peatland fire at each spot on the map, producing an expected distribution of fires for the year.

While the model was usually right in predicting a fire, it also missed many fires that actually occurred. About half of the observed fires weren’t predicted by the model, meaning that it isn’t suitable as an early-warning predictive system. Larger groupings of fires tended to be predicted well, while isolated fires were often missed by the network. With further work, the researchers hope to improve the network’s performance so it can also serve as an early-warning system.

The team took advantage of the fact that fire predictions were usually correct to test the effect of different land management strategies. By simulating different interventions, they found that the most effective plausible strategy would be to convert shrubland and scrubland into swamp forests, which would reduce fire incidence by 50%. If this were combined with blocking all of the drainage canals except the major ones, fires would decrease by 70% in total.

RO: Incendiile de vegetație reprezintă o amenințare din ce în ce mai mare într-o lume marcată de schimbări climatice. Cercetătorii de la Universitatea Aalto au dezvoltat un model de rețea neuronală care poate prezice cu precizie apariția incendiilor în turbării. Studiul s-a concentrat asupra provinciei Kalimantan Central din Borneo, Indonezia, care are cea mai mare densitate de incendii de turbă din Asia de Sud-Est. Drenajul în sprijinul agriculturii sau al expansiunii rezidențiale a făcut ca mlaștinile să devină din ce în ce mai vulnerabile la incendiile recurente.

Noul model neuronal utilizează măsurători efectuate înainte de fiecare sezon de incendii în perioada 2002-2019 pentru a prezice distribuția incendiilor de turbărie. Cercetătorii au folosit o rețea neuronală convoluțională pentru a analiza 31 de variabile, cum ar fi tipul de acoperire a terenului și indicii de vegetație și de secetă dinaintea incendiilor. După ce a fost antrenată, rețeaua a prezis probabilitatea unui incendiu de turbărie în fiecare punct de pe hartă, producând o distribuție preconizată a incendiilor pentru anul respectiv.

Deși modelul a avut o acuratețe mare în prezicerea unui incendiu, a omis multe incendii care au avut loc în realitate. Aproximativ jumătate din incendiile observate nu au fost prezise de model, ceea ce înseamnă că acesta nu este potrivit ca sistem de predicție pentru avertizare timpurie. Grupurile mai mari de incendii au avut tendința de a fi prezise bine, în timp ce incendiile izolate au fost adesea ratate de rețea. Cercetătorii speră să îmbunătățească performanțele rețelei, astfel încât aceasta să poată servi și ca sistem de avertizare.

Echipa a profitat de faptul că previziunile privind incendiile erau de obicei corecte pentru a testa efectul diferitelor strategii de gestionare a terenurilor. Simulând diferite intervenții, au descoperit că cea mai eficientă strategie plauzibilă ar fi transformarea tufărișurilor și a mlaștinilor în păduri mlăștinoase, ceea ce ar reduce incidența incendiilor cu 50%. Dacă acest lucru ar fi combinat cu blocarea tuturor canalelor de drenaj, cu excepția celor majore, incendiile ar scădea în total cu 70%.

Source (Aalto University, “New AI system predicts how to prevent wildfires”, 09.09.2022)

Paper: Horton, A.J., Lehtinen, J. & Kummu, M. Targeted land management strategies could halve peatland fire occurrences in Central Kalimantan, Indonesia. Commun Earth Environ 3, 204 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00534-2

Using artificial intelligence to control digital manufacturing

ENG: Scientists and engineers are constantly developing new materials with unique properties that can be used for 3D printing, but figuring out how to print with these materials can be a complex, costly conundrum. Often, an expert operator must use manual trial-and-error — possibly making thousands of prints — to determine ideal parameters that consistently print a new material effectively. These parameters include printing speed and how much material the printer deposits.

MIT researchers have now used artificial intelligence to streamline this procedure. They developed a machine-learning system that uses computer vision to watch the manufacturing process and then correct errors in how it handles the material in real-time. They used simulations to teach a neural network how to adjust printing parameters to minimize error, and then applied that controller to a real 3D printer. Their system printed objects more accurately than all the other 3D printing controllers they compared it to.

The work avoids the prohibitively expensive process of printing thousands or millions of real objects to train the neural network. And it could enable engineers to more easily incorporate novel materials into their prints, which could help them develop objects with special electrical or chemical properties. It could also help technicians make adjustments to the printing process on-the-fly if material or environmental conditions change unexpectedly.

RO: Oamenii de știință și inginerii dezvoltă în mod constant noi materiale cu proprietăți unice care pot fi utilizate pentru imprimarea 3D, dar descoperirea modului de imprimare cu acestea poate fi o enigmă complexă și costisitoare. Adesea, un operator expert trebuie să folosească metoda manuală de încercare și eroare – eventual făcând mii de imprimări – pentru a determina parametrii ideali care imprimă în mod constant și eficient un nou material. Acești parametri includ viteza de imprimare și cantitatea de material pe care imprimanta o depune.

Cercetătorii MIT au folosit inteligența artificială pentru a simplifica această procedură. Aceștia au dezvoltat un sistem de învățare automată care utilizează viziunea computerizată pentru a urmări procesul de producție și apoi pentru a corecta erorile în modul în care manipulează materialul în timp real. Aceștia au folosit simulări pentru a învăța o rețea neuronală cum să ajusteze parametrii de imprimare pentru a minimiza erorile, iar apoi au aplicat acest controler la o imprimantă 3D reală. Sistemul lor a imprimat obiecte mai precis decât toate celelalte controlere de imprimare 3D cu care l-au comparat.

Lucrarea evită procesul prohibitiv de costisitor de imprimare a mii sau milioane de obiecte reale pentru a antrena rețeaua neuronală. De asemenea, ar putea permite inginerilor să încorporeze mai ușor materiale noi în tipăriturile lor, ceea ce i-ar putea ajuta să dezvolte obiecte cu proprietăți electrice sau chimice speciale. De asemenea, ar putea ajuta tehnicienii să facă ajustări ale procesului de tipărire din mers, în cazul în care materialul sau condițiile de mediu se schimbă în mod neașteptat.

Source (MIT News, Adama Zewe, “Using artificial intelligence to control digital manufacturing”, 02.08.2022)

Paper: Piovarci, M., Foshey, M., Xu, J., Erps, T., Babaei, V., Didyk, P., … & Bickel, B. (2022). Closed-Loop Control of Direct Ink Writing via Reinforcement Learning. arXiv preprint arXiv:2201.11819.

Using mathematical modeling to fight malaria

ENG: Researchers have created a mathematical model to predict genetic resistance to antimalarial drugs in Africa to manage one of the biggest threats to global malarial control. Malaria is a life-threatening disease caused by parasites and spread to humans through infected mosquitos. It is preventable and curable, yet resistance to current antimalarial drugs is causing avoidable loss of life. The World Health Organisation estimated there were 241 million cases of malaria worldwide in 2020, with more than 600,000 deaths.

Credit: Mayo Clinic

In research published in PLOS Computational Biology, an international research team used data from the WorldWide Antimalarial Resistance Network (WWARN), a global, scientifically independent collaboration, to map the prevalence of genetic markers that indicate resistance to Plasmodium falciparum – the parasite that causes malaria. Lead author Associate Professor Jennifer Flegg from the University of Melbourne said malaria has devastating impacts on lower-income countries and effective treatment is key to elimination.

“The antimalarial drug sulfadoxine-pyrimethamine (SP) is commonly used in various preventative malaria treatment programs in Africa, particularly for infants, young children and during pregnancy. But we know its efficacy as a treatment is threatened in areas where resistance to SP is high,” Associate Professor Flegg said. “The statistical mapping tool we have developed is critical for health organisations to understand the spread of antimalarial resistance. The model takes in the data that is available and fills in the gaps by making continuous predictions in space and time. Health agencies can use this tool to understand when and where SP is appropriate to use as part preventive malaria treatments and where other antimalarial methods may need to be explored.”

Professor Karen Barnes, Head of WWARN Pharmacology and Elimination, said there is a rapidly increasing need for malaria chemoprevention (drugs that prevent malaria infections), but there are limited treatment options available. Professor Feiko ter Kuile, Head of WWARN’s Malaria in Pregnancy Scientific Group, said the updated model of SP resistance in Africa was long overdue.

RO: Cercetătorii au creat un model matematic pentru a prezice rezistența genetică la medicamentele antimalarice (antipaludice) în Africa, pentru a gestiona una dintre cele mai mari amenințări la adresa controlului global al malariei. Malaria este o boală care pune în pericol viața, este cauzată de paraziți și transmisă la oameni prin intermediul țânțarilor infectați. Ea poate fi prevenită și vindecată, însă rezistența la medicamentele antimalarie actuale provoacă pierderi de vieți care pot fi evitate. Organizația Mondială a Sănătății a estimat că în 2020 au existat 241 de milioane de cazuri de malarie la nivel mondial, cu peste 600.000 de decese.

În cercetarea publicată în PLOS Computational Biology, o echipă internațională de cercetători a utilizat date de la WorldWide Antimalarial Resistance Network (WWARN), o colaborare globală, independentă din punct de vedere științific, pentru a cartografia prevalența markerilor genetici care indică rezistența la Plasmodium falciparum – parazitul care provoacă malaria. Autorul principal, profesorul asociat Jennifer Flegg de la Universitatea din Melbourne, a declarat că malaria are un impact devastator asupra țărilor cu venituri mici, iar un tratament eficient este esențial pentru eliminare.

“Medicamentul antimalarie sulfadoxină-pirimetamină (SP) este utilizat în mod obișnuit în diverse programe de tratament preventiv al malariei în Africa, în special pentru sugari, copii mici și în timpul sarcinii. Dar știm că eficacitatea sa ca tratament este amenințată în zonele în care rezistența la SP este ridicată”, a declarat profesorul asociat Flegg. “Instrumentul de cartografiere statistică pe care l-am dezvoltat este esențial pentru ca organizațiile de sănătate să înțeleagă răspândirea rezistenței la medicamente antimalarie. Modelul preia datele disponibile și completează lacunele făcând predicții continue în spațiu și timp. Agențiile de sănătate pot utiliza acest instrument pentru a înțelege când și unde este oportună utilizarea SP ca parte a tratamentelor preventive împotriva malariei și unde ar putea fi necesară explorarea altor metode antimalarice.”

Profesorul Karen Barnes, șeful WWARN Farmacologie și Eliminare, a declarat că există o creștere rapidă a nevoii de chimioprevenție a malariei (medicamente care previn infecțiile cu malarie), dar există opțiuni limitate de tratament disponibile. Profesorul Feiko ter Kuile, șeful Grupului Științific pentru Malaria în Timpul Sarcinii din cadrul WWARN, a declarat că modelul actualizat al rezistenței la SP în Africa era așteptat de mult timp.

Source (The University of Melbourne News, “Using mathematical modelling to fight malaria”, 12.08.2022)

Paper: Flegg, J.A., Humphreys, G.S., Montanez, B., Strickland, T., Jacome-Meza, Z.J., Barnes, K.I., Raman, J., Guerin, P.J., Hopkins Sibley, C. and Dahlström Otienoburu, S., 2022. Spatiotemporal spread of Plasmodium falciparum mutations for resistance to sulfadoxine-pyrimethamine across Africa, 1990–2020. PLOS Computational Biology18(8), p.e1010317.

As reflective satellites fill the skies, University of Arizona students are making sure astronomers can adapt

ENG: As satellites crawl across the sky, they reflect light from the sun back down to Earth, especially during the first few hours after sunset and the first few hours before sunrise. As more companies launch networks of satellites into low-Earth orbit, a clear view of the night sky is becoming rarer. Astronomers, in particular, are trying to find ways to adapt. With that in mind, a team of University of Arizona students and faculty completed a comprehensive study to track and characterize the brightness of satellites, using a ground-based sensor they developed to measure satellites’ brightness, speed and paths through the sky. Their work could be helpful for astronomers, who, if notified of incoming bright satellites, could close the shutters of their telescope-mounted cameras to prevent light trails from tainting their long-exposure astronomical images. The research team was led by professor of planetary sciences Vishnu Reddy, who also co-leads – with study co-author and professor of systems and industrial engineering Roberto Furfaro – the university’s Space Domain Awareness lab, which tracks and characterizes all kinds of objects orbiting Earth and the moon.

Grace Halferty, a senior graduating this summer with a bachelor’s degree in aerospace and mechanical engineering and the paper’s lead author, with the instrument researchers built to measure the brightness and position of SpaceX Starlink satellites.
Credit: Kyle Mittan/University Communications

Grace Halferty, a senior graduating this summer with a bachelor’s degree in aerospace and mechanical engineering, is the lead author of the study, which is published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. The study details how the team created a satellite tracking device to measure the brightness and position of SpaceX Starlink satellites and compared those observations to government satellite tracking data from the Space Track Catalog database. The team made 353 measurements of 61 satellites over two years and found that the position of Starlink satellites as recorded in the government’s Space Track Catalog only differed by an average of 0.3 arc seconds from the UArizona calculations. An arc second on the sky is about the size of a dime held 2.5 miles away. The tiny difference is probably due to natural lag times in the government data, Reddy said. Because that data is based on estimated orbits calculated hours earlier, rather than on real-time observations, positioning errors can build up.

SpaceX has deployed a few different methods to darken its Starlink satellites. For example, VisorSat satellites rely on a shade to block additional sunlight, making them 1.6 times fainter. DarkSat satellites, on the other hand, rely on an anti-reflective coating that makes them 4.8 times fainter. However, DarkSats got too hot, so SpaceX moved away from that specific method. Since August 2021, all Starlink satellites are VisorSats. In July, SpaceX announced new strategies. One involves mirrors that reflect sunlight away from Earth and another involves using darker building materials. Reddy’s team plans to study how effective these methods are at reducing sunlight reflection back to Earth.

RO: Pe măsură ce sateliții navighează pe cer, ei reflectă lumina soarelui înapoi pe Pământ, în special în primele ore după apusul soarelui și în primele ore înainte de răsărit. Pe măsură ce tot mai multe companii lansează rețele de sateliți pe orbita joasă a Pământului, o vedere clară a cerului pe timp de noapte devine din ce în ce mai rară. Astronomii încearcă să găsească modalități de adaptare. Având în vedere acest lucru, o echipă de studenți și profesori de la Universitatea din Arizona a finalizat un studiu cuprinzător pentru a urmări și caracteriza luminozitatea sateliților, folosind un senzor la sol pe care l-au dezvoltat pentru a măsura luminozitatea, viteza și traiectoria sateliților pe cer. Munca lor ar putea fi utilă pentru astronomi, care, dacă sunt anunțați de sosirea unor sateliți luminoși, ar putea închide obturatorul camerelor montate pe telescoape pentru a preveni ca dârele de lumină să le afecteze imaginile astronomice cu expunere lungă. Echipa de cercetare a fost condusă de profesorul de științe planetare Vishnu Reddy, care, de asemenea, conduce – împreună cu coautorul studiului și profesorul de sisteme și inginerie industrială Roberto Furfaro – laboratorul Space Domain Awareness al universității, care urmărește și caracterizează toate tipurile de obiecte care orbitează în jurul Pământului și al Lunii.

Grace Halferty, absolventă în această vară cu o diplomă de licență în inginerie aerospațială și mecanică, este autorul principal al studiului, care este publicat în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Studiul detaliază modul în care echipa a creat un dispozitiv de urmărire a sateliților pentru a măsura luminozitatea și poziția sateliților SpaceX Starlink și a comparat aceste observații cu datele guvernamentale de urmărire a sateliților din baza de date Space Track Catalog. Echipa a efectuat 353 de măsurători a 61 de sateliți pe parcursul a doi ani și a constatat că poziția sateliților Starlink, așa cum este înregistrată în Catalogul de urmărire spațială al guvernului, diferă în medie doar cu 0,3 secunde de arc față de calculele Universității din Arizona. O secundă de arc pe cer este aproximativ de mărimea unei monede de 10 cenți ținută la 3,5 km distanță. Diferența minusculă se datorează probabil decalajelor naturale din datele guvernamentale, a declarat Reddy. Deoarece aceste date se bazează pe orbite estimate calculate cu câteva ore înainte, mai degrabă decât pe observații în timp real, se pot acumula erori de poziționare.

SpaceX a implementat câteva metode diferite pentru a-și întuneca sateliții Starlink. De exemplu, sateliții VisorSat se bazează pe un strat special întunecat pentru a bloca lumina solară suplimentară, ceea ce îi reduce luminozitatea de 1,6 ori. Sateliții DarkSat se bazează pe un strat anti-reflexie care îi face de 4,8 ori mai slab luminoși. Cu toate acestea, aceștia s-au încălzit prea tare, așa că SpaceX a renunțat la această metodă. Din august 2021, toți sateliții Starlink sunt VisorSat. În iulie, SpaceX a anunțat noi strategii. Una dintre ele implică oglinzi care reflectă lumina solară departe de Pământ, iar alta presupune utilizarea unor materiale de construcție mai întunecate. Echipa lui Reddy plănuiește să studieze cât de eficiente sunt aceste metode pentru a reduce reflectarea luminii solare înapoi pe Pământ.

Source (The University of Arizona News, “As reflective satellites fill the skies, UArizona students are making sure astronomers can adapt”, 02.08.2022)

Paper: Halferty, G., Reddy, V., Campbell, T., Battle, A. and Furfaro, R., 2022. Photometric characterization and trajectory accuracy of Starlink satellites: implications for ground-based astronomical surveys. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Gesture-based communication techniques may ease video meeting challenges

ENG: During the COVID-19 pandemic, online video conferencing has been a useful tool for industry, education, and social interactions. However, it has also been associated with poor mental well-being, poor communication, and fatigue. To help overcome the challenges of online video meetings, Hills developed VMS (Video Meeting Signals), a set of simple physical gestures that can be used alongside verbal communication during a video meeting. The gestures, including two thumbs up to signal agreement or a hand over the heart to show sympathy, are meant to improve experiences by serving a similar function as subtle face-to-face signals, such as raised eyebrows, while being more visible in a small video setting.

Credit: Hills

To investigate the potential of VMS, Hills and colleagues first tested it among more than 100 undergraduate students. After half were trained on the technique, the students participated in two video-based seminars in groups of about 10 students each, before answering a survey about their experience. Analysis of the survey results showed that, compared to students without VMS training, those with VMS training reported a better personal experience, better feelings about their seminar group, and better learning outcomes. Analysis of seminar transcripts also suggested that students with VMS training were more likely to use positive language. Similar results were seen in a follow-up experiment with participants who were not students. This experiment also suggested that participants trained to use emojis instead of VMS gestures did not experience the same improved experience as participants with VMS training.

RO: În timpul pandemiei COVID-19, videoconferințele online au fost un instrument util pentru industrie, educație și interacțiuni sociale. Cu toate acestea, au fost asociate și cu o bunăstare mentală precară, comunicare deficitară și oboseală. Pentru a ajuta la depășirea provocărilor întâlnirilor video online, Hills a dezvoltat VMS (Video Meeting Signals, semnale de întâlnire video), un set de gesturi fizice simple care pot fi folosite alături de comunicarea verbală în timpul unei întâlniri video. Gesturile, care includ două degete mari pentru a semnala acordul sau o mână peste inimă pentru a arăta simpatia, sunt menite să îmbunătățească experiențele prin faptul că îndeplinesc o funcție similară cu semnalele subtile față în față, cum ar fi sprâncenele ridicate, fiind în același timp mai vizibile într-un cadru video de dimensiuni reduse.

Pentru a investiga potențialul VMS, Hills și colegii săi l-au testat mai întâi în rândul a peste 100 de studenți. După ce jumătate dintre ei au fost instruiți cu privire la această tehnică, aceștia au participat la două seminarii online în grupuri de aproximativ 10 persoane, înainte de a răspunde la un sondaj despre experiența lor. Analiza rezultatelor a arătat că studenții care au fost instruiți cu VMS au raportat o experiență personală mai bună, sentimente mai bune față de grupul lor de studiu și rezultate mai bune la învățare. Analiza transcrierilor din seminar a sugerat că studenții cu formare VMS au fost mai predispuși să folosească un limbaj pozitiv. Rezultate similare au fost observate într-un experiment cu participanți care nu erau studenți. Acesta a sugerat că participanții instruiți să folosească emoji în locul gesturilor VMS nu au experimentat aceeași experiență îmbunătățită ca și participanții cu instruire VMS.

Source (PLOS. “Gesture-based communication techniques may ease video meeting challenges: Simple set of gestures may beat emojis to communicate in video meetings.” ScienceDaily. ScienceDaily, 3 August 2022.)

Paper: Paul D. Hills, Mackenzie V. Q. Clavin, Miles R. A. Tufft, Matthias S. Gobel, Daniel C. Richardson. Video meeting signals: Experimental evidence for a technique to improve the experience of video conferencing. PLOS ONE, 2022; 17 (8): e0270399 DOI: 10.1371/journal.pone.0270399

Improving Image Sensors for Machine Vision

ENG: Image sensors measure light intensity, but angle, spectrum, and other aspects of light must also be extracted to significantly advance machine vision. In Applied Physics Letters, published by AIP Publishing, researchers at the University of Wisconsin-Madison, Washington University in St. Louis, and OmniVision Technologies highlight the latest nanostructured components integrated on image sensor chips that are most likely to make the biggest impact in multimodal imaging. The developments could enable autonomous vehicles to see around corners instead of just a straight line, biomedical imaging to detect abnormalities at different tissue depths, and telescopes to see through interstellar dust.

Credit: Yurui Qu and Soongyu Yi

Image sensors, which converts light into electrical signals, are composed of millions of pixels on a single chip. The challenge is how to combine and miniaturize multifunctional components as part of the sensor. In their own work, the researchers detailed a promising approach to detect multiple-band spectra by fabricating an on-chip spectrometer. They deposited photonic crystal filters made up of silicon directly on top of the pixels to create complex interactions between incident light and the sensor. The pixels beneath the films record the distribution of light energy, from which light spectral information can be inferred. The device – less than a hundredth of a square inch in size – is programmable to meet various dynamic ranges, resolution levels, and almost any spectral regime from visible to infrared.

The researchers built a component that detects angular information to measure depth and construct 3D shapes at subcellular scales. Their work was inspired by directional hearing sensors found in animals, like geckos, whose heads are too small to determine where sound is coming from in the same way humans and other animals can. Instead, they use coupled eardrums to measure the direction of sound within a size that is orders of magnitude smaller than the corresponding acoustic wavelength. Similarly, pairs of silicon nanowires were constructed as resonators to support optical resonance. The optical energy stored in two resonators is sensitive to the incident angle. The wire closest to the light sends the strongest current. By comparing the strongest and weakest currents from both wires, the angle of the incoming light waves can be determined. Millions of these nanowires can be placed on a 1-square-millimeter chip. The research could support advances in lensless cameras, augmented reality, and robotic vision.

RO: Senzorii de imagine măsoară intensitatea luminii, dar unghiul, spectrul și alte aspecte ale luminii trebuie, de asemenea, să fie extrase pentru a avansa semnificativ în domeniul vederii artificiale. În Applied Physics Letters, publicat de AIP Publishing, cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison, Universitatea Washington din St. Louis și OmniVision Technologies evidențiază cele mai recente componente nanostructurate integrate pe cipuri de senzori de imagine care pot să aibă cel mai mare impact în domeniul imagisticii multimodale. Aceste evoluții ar putea permite vehiculelor autonome să vadă pe după colțuri în loc să vadă doar în linie dreaptă, imagisticii biomedicale să detecteze anomalii la diferite adâncimi ale țesuturilor și telescoapelor să vadă prin praful interstelar.

Senzorii de imagine, care transformă lumina în semnale electrice, sunt compuși din milioane de pixeli pe un singur cip. Provocarea constă în modul de combinare și miniaturizare a componentelor multifuncționale ca parte a senzorului. În lucrarea lor, cercetătorii au detaliat o abordare promițătoare pentru detectarea spectrelor cu benzi multiple prin fabricarea unui spectrometru pe cip. Aceștia au depus filtre de cristale fotonice alcătuite din siliciu direct deasupra pixelilor pentru a crea interacțiuni complexe între lumina incidentă și senzor. Pixelii de sub filme înregistrează distribuția energiei luminoase, din care pot fi deduse informațiile spectrale ale luminii. Dispozitivul – cu o dimensiune de mai puțin de o sutime de centimetru pătrat – este programabil pentru a satisface diverse intervale dinamice, niveluri de rezoluție și aproape orice regim spectral de la vizibil la infraroșu.

Cercetătorii au construit o componentă care detectează informațiile unghiulare pentru a măsura adâncimea și a construi forme 3D la scări subcelulare. Munca lor a fost inspirată de senzorii auditivi direcționali găsiți la animale, cum ar fi șopârla Gecko, ale căror capete sunt prea mici pentru a determina de unde vine sunetul în același mod în care o pot face oamenii și alte animale. În schimb, ei folosesc timpanii cuplați pentru a măsura direcția sunetului într-o dimensiune care este cu câteva ordine de mărime mai mică decât lungimea de undă acustică corespunzătoare. În mod similar, perechi de nanofire de siliciu au fost construite ca rezonatoare pentru a susține rezonanța optică. Energia optică stocată în două rezonatoare este sensibilă la unghiul de incidență. Firul cel mai apropiat de lumină trimite cel mai puternic curent. Prin compararea celui mai puternic și a celui mai slab curent de la ambele fire, se poate determina unghiul undelor de lumină primite. Milioane de astfel de nanofire pot fi plasate pe un cip de 1 milimetru pătrat. Cercetarea ar putea sprijini progresele în domeniul camerelor fără lentile, al realității augmentate și al viziunii robotice.

Source (AIP Publishing, “Improving Image Sensors for Machine Vision”, 26.07.2022)

Paper: Qu, Y., Yi, S., Yang, L. and Yu, Z., 2022. Multimodal light-sensing pixel arrays. Applied Physics Letters121(4), p.040501.

At the Water’s Edge: Self-assembling 2D Materials at a Liquid-Liquid Interface

ENG: Coordination nanosheets are one particularly interesting type of 2D material. The “coordination” refers to the effect of metallic ions in these molecules, which act as coordination centers. These centers can spontaneously create organized molecular dispositions that span multiple layers in 2D materials.

Credit: Hiroshi Nishihara from Tokyo University of Science

To synthesize the heterolayer coordination nanosheets, the team of scientists from Tokyo University of Science and The University of Tokyo in Japan first created the liquid-liquid interface to enable their assembly. They dissolved tris(terpyridine) ligand in dichloromethane (CH2Cl2), an organic liquid that does not mix with water. They then poured a solution of water and ferrous tetrafluoroborate, an iron-containing chemical, on top of the CH2Cl2. After 24 hours, the first layer of the coordination nanosheet, bis(terpyridine)iron (or “Fe-tpy”), formed at the interface between both liquids. Following this, they removed the iron-containing water and replaced it with cobalt-containing water. In the next few days, a bis(terpyridine)cobalt (or “Co-tpy”) layer formed right below the iron-containing one at the liquid-liquid interface.

The team made detailed observations of the heterolayer using various advanced techniques, such as scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, and scanning transmission electron microscopy. They found that the Co-tpy layer formed neatly below the Fe-tpy layer at the liquid-liquid interface. Moreover, they could control the thickness of the second layer depending on how long they left the synthesis process run its course. Interestingly, the team also found that the ordering of the layers could be swapped by simply changing the order of the synthesis steps.

Additionally, the team investigated the reduction-oxidation properties of their coordination nanosheets as well as their electrical rectification characteristics. They found that the heterolayers behaved much like a diode in a way that is consistent with the electronic energy levels of Co-tpy and Fe-tpy. These insights, coupled with the easy synthesis procedure developed by the team, could help in the design of heterolayer nanosheets made of other materials and tailored for specific electronics applications.

RO: Nanofoile de coordonare reprezintă un tip deosebit de interesant de material 2D. “Coordonarea” se referă la efectul ionilor metalici din aceste molecule, care acționează ca centre de coordonare. Acești centri pot crea în mod spontan dispoziții moleculare organizate care se întind pe mai multe straturi în materialele 2D.

Pentru a sintetiza heterostraturile de nanofoi de coordonare, echipa de oameni de știință de la Universitatea de Știință din Tokyo și de la Universitatea din Tokyo din Japonia a creat mai întâi interfața lichid-lichid pentru a permite asamblarea lor. Ei au dizolvat ligandul tris(terpiridină) în diclorometan (CH2Cl2), un lichid organic care nu se amestecă cu apa. Apoi au turnat o soluție de apă și tetrafluoroborat feros, un produs chimic care conține fier, peste CH2Cl2. După 24 de ore, la interfața dintre cele două lichide s-a format primul strat al nanofoii de coordonare, bis(terpiridină)fier (sau “Fe-tpy”). În continuare, au îndepărtat apa care conținea fier și au înlocuit-o cu apă care conținea cobalt. În următoarele câteva zile, un strat de bis(terpiridină)cobalt (sau “Co-tpy”) s-a format chiar sub cel care conținea fier la interfața lichid-lichid.

Echipa a făcut observații detaliate ale heterostratului folosind diverse tehnici avansate, cum ar fi microscopia electronică de scanare, spectroscopia fotoelectronică cu raze X, microscopia de forță atomică și microscopia electronică cu transmisie prin scanare. Ei au descoperit că stratul de Co-tpy s-a format perfect sub stratul de Fe-tpy la interfața lichid-lichid. Mai mult, aceștia au putut controla grosimea celui de-al doilea strat în funcție de cât timp au lăsat procesul de sinteză să se desfășoare. În mod interesant, echipa a constatat că ordinea straturilor poate fi schimbată prin simpla schimbare a ordinii etapelor de sinteză.

În plus, echipa a investigat proprietățile de reducere-oxidare ale nanofoilor de coordonare, precum și caracteristicile lor de rectificare electrică. Ei au descoperit că heterostraturile se comportă în mare măsură ca o diodă, într-un mod care este în concordanță cu nivelurile de energie electronică ale Co-tpy și Fe-tpy. Aceste informații, împreună cu procedura de sinteză ușoară dezvoltată de echipă, ar putea ajuta la proiectarea de nanofoi realizate din alte materiale și adaptate pentru aplicații electronice specifice.

Adapted and abridged from source (Tokyo University of Science, “At the Water’s Edge: Self-assembling 2D Materials at a Liquid-Liquid Interface”, 21.07.2022)

Paper: Komeda, J., Takada, K., Maeda, H., Fukui, N., Tsuji, T. and Nishihara, H., 2022. Chemically laminated 2D bis (terpyridine) metal polymer films: Formation mechanism at the liquid‐liquid interface and redox rectification. Chemistry–A European Journal.

Development of an Artificial Vision Device Capable of Mimicking Human Optical Illusions

ENG: The National Institute for Materials Science (NIMS) research team recently developed an ionic artificial vision device composed of an array of mixed conductor channels placed on a solid electrolyte at regular intervals. This device simulates the way in which human retinal neurons (i.e., photoreceptors, horizontal cells and bipolar cells) process visual signals by responding to input voltage pulses (equivalent to electrical signals from photoreceptors). This causes ions within the solid electrolyte (equivalent to a horizontal cell) to migrate across the mixed conductor channels, which then changes the output channel current (equivalent to a bipolar cell response). By employing such steps, the device, independent of software, was able to process input image signals and produce an output image with increased edge contrast between darker and lighter areas in a manner similar to the way in which the human visual system can increase edge contrast between different colors and shapes by means of visual lateral inhibition.

Credit: National Institute for Materials Science

The human eye produces various optical illusions associated with tilt angle, size, color and movement, in addition to darkness/lightness, and this process is believed to play a crucial role in the visual identification of different objects. The ionic artificial vision device described here may potentially be used to reproduce these other types of optical illusions. The research team involved hopes to develop visual sensing systems capable of performing human retinal functions by integrating the subject device with other components, including photoreceptor circuits.

This project was carried out by a research team consisting of Tohru Tsuruoka (Chief Researcher, Nanoionic Devices Group (NDG), International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), NIMS), Xiang Wan (Postdoctoral Researcher, NDG, MANA, NIMS at the time of this project) and Kazuya Terabe (Group Leader, NDG, MANA, NIMS).

RO: Echipa de cercetare a National Institute for Materials Science (NIMS) a dezvoltat recent un dispozitiv de viziune artificială ionică, compus dintr-o serie de canale de conductoare mixte plasate pe un electrolit solid la intervale regulate. Acest dispozitiv simulează modul în care neuronii retinei umane (adică fotoreceptorii, celulele orizontale și celulele bipolare) procesează semnalele vizuale, răspunzând la impulsuri de tensiune de intrare (echivalente cu semnalele electrice de la fotoreceptori). Acest lucru face ca ionii din electrolitul solid (echivalent cu o celulă orizontală) să migreze prin canalele conductoarelor mixte, ceea ce modifică apoi curentul canalului de ieșire (echivalent cu răspunsul unei celule bipolare). Prin utilizarea unor astfel de pași, dispozitivul, independent de software, a fost capabil să proceseze semnalele de intrare ale imaginii și să producă o imagine de ieșire cu un contrast sporit al marginilor între zonele mai întunecate și cele mai deschise, într-un mod similar modului în care sistemul vizual uman poate crește contrastul marginilor între diferite culori și forme prin intermediul inhibiției laterale vizuale.

Ochiul uman produce diverse iluzii optice asociate cu unghiul de înclinare, dimensiunea, culoarea și mișcarea, pe lângă întuneric/luminozitate, și se consideră că acest proces joacă un rol crucial în identificarea vizuală a diferitelor obiecte. Dispozitivul de viziune artificială ionică descris aici poate fi utilizat potențial pentru a reproduce aceste alte tipuri de iluzii optice. Echipa de cercetare implicată speră să dezvolte sisteme de detecție vizuală capabile să îndeplinească funcțiile retinei umane prin integrarea dispozitivului în cauză cu alte componente, inclusiv circuite de fotoreceptori.

Acest proiect a fost realizat de o echipă de cercetare formată din Tohru Tsuruoka (cercetător șef, Nanoionic Devices Group (NDG), International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), NIMS), Xiang Wan (cercetător postdoctoral, NDG, MANA, NIMS la momentul realizării acestui proiect) și Kazuya Terabe (lider de grup, NDG, MANA, NIMS).

Source (NIMS, “Development of an Artificial Vision Device Capable of Mimicking Human Optical Illusions”, 11.10.2021)

Paper: Wan, X., Tsuruoka, T. and Terabe, K., 2021. Neuromorphic System for Edge Information Encoding: Emulating Retinal Center-Surround Antagonism by Li-Ion-Mediated Highly Interactive Devices. Nano Letters21(19), pp.7938-7945.

The octopus’ brain and the human brain share the same ‘jumping genes’

ENG: Sequencing the human genome revealed as early as 2001 that over 45% of it is composed by sequences called transposons, so-called ‘jumping genes’ that, through molecular copy-and-paste or cut-and-paste mechanisms, can ‘move’ from one point to another of an individual’s genome, shuffling or duplicating. In most cases, these mobile elements remain silent: they have no visible effects and have lost their ability to move.

Credit: Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati

Among these mobile elements, the most relevant are those belonging to the so-called LINE (Long Interspersed Nuclear Elements) family, found in a hundred copies in the human genome and still potentially active. It has been traditionally though that LINEs’ activity was just a vestige of the past, a remnant of the evolutionary processes that involved these mobile elements, but in recent years new evidence emerged showing that their activity is finely regulated in the brain. There are many scientists who believe that LINE transposons are associated with cognitive abilities such as learning and memory: they are particularly active in the hippocampus, the most important structure of our brain for the neural control of learning processes.

The octopus’ genome, like ours, is rich in ‘jumping genes’, most of which are inactive. Focusing on the transposons still capable of copy-and-paste, the researchers identified an element of the LINE family in parts of the brain crucial for the cognitive abilities of these animals. The discovery, the result of the collaboration between Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, Stazione Zoologica Anton Dohrn and Istituto Italiano di Tecnologia, was made possible thanks to next generation sequencing techniques, which were used to analyze the molecular composition of the genes active in the nervous system of the octopus.

RO: Secvențierea genomului uman a dezvăluit încă din 2001 că peste 45% din acesta este compus din secvențe numite transpozoni, așa-numitele “gene săritoare” care, prin mecanisme moleculare de copiere şi lipire sau de tăiere și lipire, se pot “muta” dintr-un punct în altul al genomului unui individ, amestecându-se sau duplicându-se. În majoritatea cazurilor, aceste elemente mobile rămân tăcute: nu au efecte vizibile și și-au pierdut capacitatea de a se deplasa.

Dintre aceste elemente mobile, cele mai relevante sunt cele care aparțin așa-numitei familii LINE (Long Interspersed Nuclear Elements sau Elemente Nucleare Lungi Intercalate), care se găsesc în sute de copii în genomul uman și sunt încă potențial active. În mod tradițional, s-a crezut că activitatea LINE-urilor era doar un vestigiu al trecutului, o rămășiță a proceselor evolutive care au implicat aceste elemente mobile, dar în ultimii ani au apărut noi dovezi care arată că activitatea lor este fin reglementată în creier. Există mulți oameni de știință care cred că transpozonii LINE sunt asociați cu abilitățile cognitive, cum ar fi învățarea și memoria: ei sunt deosebit de activi în hipocampus, cea mai importantă structură a creierului nostru pentru controlul neuronal al proceselor de învățare.

Genomul caracatiței, ca și al nostru, este bogat în “gene săritoare”, dintre care majoritatea sunt inactive. Concentrându-se asupra transpozonilor încă capabili de a copia și lipi, cercetătorii au identificat un element din familia LINE în părți ale creierului cruciale pentru capacitățile cognitive ale acestor animale. Descoperirea, rezultat al colaborării dintre Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, Stazione Zoologica Anton Dohrn și Istituto Italiano di Tecnologia, a fost posibilă datorită tehnicilor de secvențiere de generație următoare, care au fost folosite pentru a analiza compoziția moleculară a genelor active în sistemul nervos al caracatiței.

Source (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, “The octopus’ brain and the human brain share the same ‘jumping genes'”, 24.06.2022)

Paper: Petrosino, G., Ponte, G., Volpe, M., Zarrella, I., Ansaloni, F., Langella, C., Di Cristina, G., Finaurini, S., Russo, M.T., Basu, S. and Musacchia, F., 2022. Identification of LINE retrotransposons and long non-coding RNAs expressed in the octopus brain. BMC biology20(1), pp.1-22.