Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

У світі цифрових пристроїв

Інформаційне суспільство є черговим і закономірним етапом у техногенній історії людства. Адже сучасне інформаційне суспільство ввібрало в себе результати досить довгого періоду розвитку науки й техніки, удосконалення різних технологій (мікроелектроніки, пересилання та оброблення інформації тощо). Інформаційно-комунікаційні технології актуалізували необхідність підготовки людини до швидкого сприймання й оброблення великих обсягів інформації, оволодіння нею сучасними засобами, методами й технологіями, уміння користуватися різноманітними програмними, програмно-апаратними та технічними засобами, інформаційними системами. На сьогодні не існує класифікації усіх інформаційно-комунікаційних засобів. То ж ми обмежимося розглядом деяких видів комп’ютерної техніки (мал. 8.17), засобів зв’язку, ґаджетів. Розглянемо технології віртуальної й доданої реальності. З іншими засобами й технологіями ви можете ознайомитися самостійно під час виконання навчальних проектів.

Мал. 8.17. а) види комп’ютерної техніки; б) сервери дата-центру Google; в) найменший у світі комп’ютер компанії IBM

Портативні комп’ютери мають всі основні пристрої, розташовані в одному корпусі. Умовно можна виокремити такі види портативних комп’ютерів: ноутбуки; нетбуки; субноутбуки; смартбуки; планшетні персональні комп’ютери; кишенькові персональні комп’ютери; смартфони; пристрої для читання електронних книг e-Book; комунікатори.

Деякі з них узагальнено називають ґаджетом (англ. gadget — пристрій). Це зазвичай цікава технічна новинка у вигляді електронного пристрою або іншого засобу, що поєднує в собі високі технології та цілком реальне застосування.

Найвідоміші типи ґаджетів: мобільний телефон, смартфон, портативна гральна приставка, мультимедійний програвач, GPS-навігатор, електронна книга (мал. 8.18).

Мал.8.18. Деякі з ґаджетів

Твій смартфон, який скоріш за все зараз у твоїй кишені, — це одна з найдивовижніших мінілабораторій в історії. Існування цього складного об’єкта, який було вперше комерціалізовано у 2007 році, завдячує десятиліттям наукових досліджень, часто відзначених Нобелівськими преміями. Наприклад, сучасний розвиток рідких кристалів та їх застосування в LCD-дисплеях був би неможливим без робіт П’єра-Жилье де Жена (Нобелівська премія, 1991). Проривом для сучасних камер було створення напівпровідних CCD (Charge-coupled device) світлових сенсорів Віллардом Бойле і Джорджом Елвудом Смітом (Нобелівська премія, 2009). Точне місцезнаходження твого смартфону можливе завдяки GPS (Global positioning system), яка потребує точного виміру часу за атомним годинником і позицією спеціалізованих супутників. Окрім іншого, смартфон був би неможливим без напівпровідних мікропроцесорів, пам’яті високої щільності, бездротових технологій тощо.

Смартфон — результат спільної плідної роботи фундаментальної науки, інженерів та промислових розробників.

Як працює сучасний смартфон: що відбувається в смартфоні під час і після дзвінка?

Сучасні смартфони вражають своїми можливостями — вони багато в чому здатні замінити персональний комп’ютер, тому стають багатофункціональними помічниками в повсякденному житті. Спілкування без обмежень, постійний доступ до інтернету, перевірка пошти, переглядання фото, відео, читання книжок, складні програми, ігри — усі ці, а також багато інших функцій доступні користувачам смартфонів. Однак головною функцією смартфона залишається забезпечення можливості спілкування в реальному часі людей, які перебувають на відстані одне від одного. У сплячому режимі смартфони витрачають мінімальну кількість заряду акумулятора. Деякі складові Гаджета, наприклад екран, зовсім відключені від живлення.

Одним з головних компонентів смартфона є материнська плата, до якої підключені чи не всі компоненти Гаджета. Завдяки цьому вони можуть обмінюватися інформацією. Не менш важливим є центральний процесор, який контролює багато процесів у пристрої. Він здатен фіксувати й обробляти величезну кількість інформації за лічені секунди. Саме процесор забезпечує швидку справну роботу смартфона, і саме за його параметрами оцінюють потужність Гаджета.

То як саме працює смартфон під час дзвінка? Коли користувач запускає додаток для дзвінків, процесор миттєво завантажує його в оперативну пам’ять, і водночас активує інтерфейс програми. З постійної пам’яті підключаються контакти й інформація про попередні дзвінки. Власник Гаджета набирає 10 цифр або знаходить потрібний контакт у телефонній книзі та натискає одну зелену кнопку. Усього лише кілька секунд пройде до того, як пролунають довгі гудки. За ці кілька секунд Гаджет здійснює неймовірну роботу.

Майже всі сучасні ґаджети при піднесенні до вуха під час дзвінка автоматично відключають підсвічування екрана. Це можливо завдяки спеціальному давачу, що розташований зазвичай біля фронтальної камери. Давач оцінює відстань між смартфоном і головою людини. Процесор отримує інформацію від давача відстані та дає сигнал про вимикання підсвічування. Це сприяє економії заряду батареї.

У кожному смартфоні є радіомодуль, який у ввімкненому телефоні завжди активний. Час від часу він обмінюється даними з оператором мобільної мережі. У момент натискання зеленої кнопки виклику радіомодуль відправляє сигнал для антени Гаджета. Вона фіксує сигнал і спрямовує його на антену найближчої до абонента базової станції. Так відбувається запит на з’єднання з іншим абонентом. Мобільна мережа вже знає абонентський номер того, хто дзвонить, і надсилає його тому, кому дзвонять.

Базова станція відправляє сигнал на Гаджет людини, якій телефонують. Антена смартфона вловлює сигнал і перетворює його на електричний імпульс, що надходить у радіомодуль. Останній повідомляє процесору про вхідний дзвінок, і процесор запускає запрограмований набір дій — активує меню та режим дзвінка. На екрані виникає номер телефону, з якого надійшов вхідний дзвінок.

У цей час напруга також подається на ексцентрик, що створює вібрацію. Електричний струм також подається і на динаміки Гаджета, і на аудіопроцесор, який перетворює цифровий сигнал аудіофайла в аналоговий імпульс. У результаті чого мембрана динаміка починає вібрувати й видавати звук мелодії дзвінка.

Абонент приймає дзвінок, натиснувши на зелену кнопку.

Сучасні смартфони дають змогу здійснювати та навіть приймати виклик автоматично. Оскільки зробити автовідповідь на телефоні досить просто, це використовують багато власників ґаджетів.

Під час дзвінка активується мікрофон, який уловлює звуки й перетворює їх на електричний імпульс. Останній відправляється на радіомодуль і на антену базової станції. А радіомодуль іншого смартфона отримує сигнал, аудіопроцесор перетворює його на звук.

Науковці вивчили хімічний склад смартфона. Результати хімічного аналізу засвідчили, що використаний в експерименті смартфон містив такі хімічні елементи:

Хімічний елемент

Fe

Si

Cr

W

Co

Nd

Pr

Ag

Au

Pd

Маса, г

33

13

7

0,9

0,07

0,16

0,03

0,09

0,036

0,009

Тобто в цьому ґаджеті вміст Ауруму в 100 разів, а Вольфраму — у 10 більший, ніж у мінеральній високоякісній сировині. Це означає, що для створення лише одного смартфона необхідно добути руду загальною масою 10-15 кг руди, зокрема маса високоякісної золотої руди становитиме 7 кг, мідної — 1 кг, вольфрамової — 750 г, нікелевої — 200 г.

Висловте припущення щодо мети описаного вище досліду. Яку проблему хотіли порушити науковці?

Напевно, вам цікаво буде знати, що в екрані смартфона в електропровідній прозорій плівці використано оксиди Індію та стануму. Саме ця плівка дає екрану змогу реагувати на дотики. Для виготовлення більшості смартфонів застосовують алюмосилікатне скло — суміш оксидів силіцію та алюмінію. Для додаткового збільшення міцності в таке скло часто вводять йони Калію. Для того щоб екран смартфона міг радувати споживача кольоровим зображенням, використовують сполуки рідкісноземельних елементів. Деякі складники добавляють для зменшення прозорості екрана смартфона для ультрафіолетових променів. Джерела живлення смартфонів оснащено літій-йонними акумуляторами, на основі оксидів літію та кобальту (анод) і графіту (катод). Для виготовлення катода в деяких типах джерел живлення замість сполук кобальту використовують сполуки мангану. Корпус акумулятора виготовляють з алюмінію. Найбільші дроти в смартфоні зроблено з міді. З неї ж, а також золота й срібла — мікроконтакти. Основний компонент мікроконденсаторів — тантал. В електричних схема мікрофона (і деяких інших) застосовано нікель. Магніти мікрофона й динаміка виготовлено з празеодиму, гадолінію та неодиму. До складу вібрувальної мембрани мікрофона й динаміка входять неодим, тербій і диспрозій. Матеріал для процесора смартфона (як і для більшості процесорів сучасних електронних пристроїв) — силіцій, який для зміни його електричної провідності леговано іншими елементами. Як припій для сполучення контактів застосовують сплав свинцю з оловом. У деяких нових моделях через токсичність свинцю традиційний припій замінюють на новий — олов’яно-мідно-срібний. Корпус смартфона може бути виготовлено з магнію (металеві корпуси) або пластику — міцного армованого полімеру. Для збільшення вогнестійкості корпусу до складу полімеру вводять сполуки брому, а для зменшення впливу можливих електромагнітних перешкод — нікель.

Висловте припущення, чому в міру еволюціонування смартфонів кількість золота в їхньому складі зменшується.

Дослідники із США та Німеччини перевірили склад мазків з мобільних телефонів і долонь їхніх власників, використавши високочутливу методику мас-спектрометрії. В експерименті взяли участь 39 добровольців. Результати виявили чіткий індивідуальний «підпис» кожного добровольця, хімічні речовини на руках частково збігалися з умістом «зіскрібка» з телефону власника. Так науковці з’ясували, що кожний смартфон є докладною базою даних свого господаря. Тобто можна скласти індивідуальний профіль власника смартфона.

Аналіз поверхні Гаджета дає змогу визначити ключові потреби людини — від того, використовує вона засоби від випадіння волосся, до того, чи приймає антидепресанти, чи має пристрасть до тютюну або алкоголю. Деякі речовини, наприклад, залишки засобів від комарів, виявлено більш ніж через чотири місяці після того, як були нанесені на шкіру власника смартфона.

Висловте припущення щодо можливого практичного застосування результатів описаного вище дослідження.

Одна з компаній створила смартфон, уперше оснащений молекулярним давачем, що дає змогу визначати хімічний склад сканованого за його допомогою матеріалу. За допомогою такого давача можна буде визначити найсмачніші фрукти, масову частку жиру у своєму (або чужому) тілі, уміст какао в шоколаді, калорійність їжі тощо.

Висловте припущення щодо вірогідності наведеної вище інформації та перевірте її.

Нині значної популярності серед ґаджетів набули фітнес-браслети; навушники (наприклад, безпровідні Apple AirPods); планшети (iPad Pro); адаптери, валіза-супутник (вона вміє самостійно рухатися за своїм власником, для захисту речей виробник вбудував сканер відбитків пальців); роботи для прибирання Xiaomi Мі Robot Vacuum Cleaner (ними можна керувати як з пульта, так і зі смартфона, є можливість установлення «графіка прибирань»); Android-приставка (завдяки їй будь-який телевізор може стати «Smart») та ін. (мал. 8.19).

Мал. 8.19. Знайомі із цими Гаджетами?

Натепер розробники пропонують велику кількість медичних ґаджетів і мобільних додатків для вимірювання окремих фізіологічних і вербальних показників, що характеризують стан здоров’я людини: пульс (Instant Heart Rate, Runtastic Heart Rate Monitor), артеріальний тиск (Blood Pressure Monitor), рівень глюкози в крові, спірометричні показники, якість слуху та зору тощо. Мобільні засоби також визначають емоційний стан людини та рівень стресу (Stress Check); контролюють фізичну активність (Googlefit, moves) та кількість спалених калорій; фази та якість сну (Sleep Time) тощо.

До категорії mhealth-додатків також належать багатопараметричні системи моніторингу, імплантовані сенсори життєво-важливих показників здоров’я, системи експрес-аналізу, додатки для контролю вживання ліків, системи тренінгу для стабілізації емоційного стану, покращення когнітивних функцій і працездатності. Активно розробляють системи віддаленого контролю та підтримки в разі хронічних захворювань (Care Innovations, Visi Mobile, hWear (ЕКГ), SugarSenz (діабет) та iн.). Для збирання, передавання та опрацювання результатів вимірювання показників використовують спеціальні сервісні платформи.

Наприклад, Apple Health-сервіс збирає показники серцевого ритму, рівень глюкози, кількість калорій, дані про режим сну через єдиний інтерфейс. Samsung пропонує закритий додаток для здоров’я S-Health з базою продуктів і вправ, з можливістю оцінювання таких параметрів, як пульс, рівень стресу, сон, фізична активність і витрачені калорії. На екран смартфона Samsung Galaxy виводяться такі дані: крокомір, тренування, пульс, їжа, маса, сон, стрес.

Застосування медичних ґаджетів, мобільних додатків і сервісних платформ для реєстрації та контролю фізіологічних і вербальних показників, що характеризують стан здоров’я людини, є дуже важливим напрямом у побудові сучасних інфокомунікаційних систем персоналізованої мобільної медицини.

Популярні нині фітнес-браслети (мал. 8.20) працюють на світлодіодах і фотодетекторах, розташованих з тильного боку ґаджета. Як це працює? Акселерометр — базовий давач — дає змогу рахувати пройдені кроки, визначати положення у просторі та швидкість пересування. Гіроскоп забезпечує отримання мікропроцесором тривимірної картини ваших переміщень: до уваги береться не тільки біг, а й, наприклад, стрибки на місці. Для точного розрахунку швидкості руху й пройденої відстані в браслети вбудовують GPS-давачі. Контролювати серцевий ритм під час фізичних навантажень і в стані спокою допоможе вбудований у браслет давач пульсу. Завдяки оптичній технології (фотоплетизмографія) давач вимірює пульс за допомогою світлодіодів, які оцінюють кількість розсіяного плином крові світла.

Оптична плетизмографія заснована на вимірюванні пульсу людини з використанням давача й спеціальних світлодіодів. Оптичний сенсор на зворотному боці браслета або годинника випромінює світло на зап’ясток за допомогою світлодіодів, яке поглинають тканини організму, зокрема кров. При цьому вона поглинає більше світла, ніж, наприклад, шкірний покрив. Зміна кількості крові в судинах впливає на рівень поглинання світла, що й фіксує давач. А спеціальний алгоритм на основі отриманих даних визначає частоту серцевого ритму.

Мал. 8.20. Фітнес-браслет

Зупинімося трохи на технологіях віртуальної та доповненої реальності. Спершу варто розібратися, чи є між ними відмінність.

Технології доповненої реальності (Augmented Reality, AR) здатні проектувати цифрову інформацію (зображення, відео, текст, графіку) поза екранами пристроїв та об’єднувати віртуальні об’єкти з реальним середовищем. Популярна кілька років тому гра Pokemon GO є яскравим прикладом AR технологій. Віртуальна ж реальність (Virtual Reality, VR) за допомогою 360 картинки переносить людину в штучний світ, де навколишнє середовище повністю змінене. Ознайомитися з доповненою реальністю можна за допомогою одного лише смартфона, проте для занурення у віртуальний простір вам знадобиться спеціальний шолом або окуляри.

Наприклад, подорожуючи світом, ми можемо опинитися в незнайомому місці, де люди навколо розмовляють чужою мовою, а всі покажчики й вивіски нагадують якусь «абракадабру». У цій ситуації нам так само може стати в пригоді технологія доповненої реальності. Достатньо лише навести камеру на покажчик з незнайомим текстом, і «абракадабра» миттєво перетвориться на зрозумілий для нас текст (мал. 8.21).

Мал. 8.21. Доповнена реальність

Віртуальна реальність є потужним засобом для створення гострих відчуттів й інтерактивних проекцій безпосередньо в тривимірному віртуальному просторі. Віртуальну реальність реалізують за допомогою зображень, звуків, імітації тактильних відчуттів. Її використовують для розв’язування завдань віртуального прототипування, створення різних тренажерів, зокрема й медичних, дистанційного керування роботами тощо.

Віртуальні середовища не діють без сучасного AR/VR обладнання, телекомунікаційних систем і технологій. У цій галузі дуже важливою є надійна бездротова передача інформації з великою швидкістю, яку можуть забезпечити такі технології як Wi-Fi, Bluetooth та QR/RFID-мітки (мал. 8.22).

Мал. 8.22. а) QR-код; б) RFID-мітка; в) використання RFID-міток для ідентифікації тварин, г) браслетів для басейнів, д) на залізничних вагонах для автоматизації реєстрування руху вагонів за контрольними точками, е) для автоматизації зважування, є) пошуку речей

QR (quick response) code — штрих-код швидкого відгуку, який зчитують сканувальні пристрої — від спеціальних до тих, що стоять у фотокамерах сучасних ноутбуків, планшетів і мобільних телефонів. Якщо піднести пристрій до такого коду, то камера миттєво його розшифрує та покаже приховану інформацію. Нею може бути текст (до 4 296 знаків), або цифри, або посилання на сайт в інтернеті, де можна докладніше дізнатися про «носіїв коду». У нашій країні QR-коди діють у транспорті для сплати за проїзд, на квитках до театрів, у музеях, біля історичних споруд тощо. Зчитавши телефоном код, можна багато чого дізнатися про об’єкт.

RFID (англ. radio frequency identification, радіочастотна ідентифікація) — метод автоматичної (радіочастотної) ідентифікації об’єктів, у якому за допомогою радіосигналів зчитують або записуються дані, що зберігаються в так званих транспондерах, або RFID-мітках.

Будь-яка RFID-система містить пристрій, що зчитує (зчитувач, рідер) і транспондер (він же RFID-мітка, іноді також застосовують термін RFID-тег).

RFID-системи використовують у домофонах і системах доступу, торгівлі, громадському транспорті (автобус, залізниця, метро), бібліотеках, музеях, в автомобільних ключах з імобілайзером; біометричних паспортах; для ідентифікування тварин; оплати послуг за допомогою браслета в басейні тощо.

Технології віртуальної та доповненої реальності з кожним роком стають дедалі доступнішими та масовішими. У 2016 році провідні музеї світу почали створювати VR-експозиції, пропонувати інтерактивні тури та екскурсії (мал. 8.23). Те, що лише десятиліттям раніше могли уявити тільки фантасти, стало реальністю.

Виокремлюють три види віртуальних музеїв:

  • віртуальні експозиційні галереї чи окремі тематичні виставки, що є цифровими аналогами реальних експозиційних залів, колекцій і виставок відповідного музею (їх репрезентовано на веб-сайті цього музею);
  • віртуальні музеї «другого покоління», створені суміщенням масштабних міжмузейних колекцій та експозиційних галерей; такі музеї поєднують у собі цифрові зображення реальних пам’яток, що зберігають й експонують у сотнях різних музеїв, розкиданих по всьому світу;
  • музеї віртуального мистецтва (net-art).

Мал. 8.23. Відвідуйте віртуальні музеї

Найвідоміші з-поміж них:

• Лувр (Париж, Франція, www.louvre.fr);

• Музей Соломона Гуггенхайма (Нью-Йорк, США, www.guggenheim.org);

• Національна галерея мистецтв (Вашингтон, США, www.nga.gov);

• Британський музей (Лондон, Великобританія, www.britishmuseum.org);

• Національний музей природничої історії (Вашингтон, США; www. mnh.si.edu);

Віртуальні візити музеїв України тільки почали розробляти.

Балетні постановки у VR, мультимедійні театральні шоу й віртуальні актори на сцені — нові технології дедалі більше проникають у класичне мистецтво (мал. 8.24). Віртуальні декорації змінюються одним натисканням кнопки, а самі театри вже давно організували власні дата-центри, упроваджують систему аналітики й активно дивляться в бік використання відео 360 , віртуальної та доповненої реальності.

Об’єднання технічних ресурсів обчислювальних технологій, що містять давачі відстеження руху, візуальні обчислення та проекційне картографування, дає змогу використовувати тіло й простір з елементами ритму, руху та сучасної динаміки.

Мал. 8.24. Нові технології в театрі: а) інтерактивний формат «Kalevala. Episodes», б) китайська опера, в) Опера «Аїда» в Маріїнському театрі (постановка Даніеле Фінці Паскі), г) процес створення ілюзій

Спочатку створюють комп’ютерну 3D-модель у віртуальному форматі — «скелет» віртуального танцюриста (мал. 8.24). Потім артист або артистка в костюмі з давачами виконує рухи («захоплення рухів» за допомогою технології Motion Capture). Одержані дані переносять на 3D-модель, відбувається їхня інтеграція (CG-графіка, пост-продакшн, налаштування візуальної сцени). Одержаний матеріал форматують для відтворення в окулярах віртуальної реальності. Відтворюють контент за допомогою сучасних VR-окулярів.

Нині глядачів дивують за допомогою світлодіодних табло, проекційних екранів, плазменних панелей різних діагоналей, мультифункціональних світлових приладів, світлодіодних матриць, інтерактивних підлог тощо.

Мал. 8.25. а) Соленоїд (A/V Piece для Товариства мистецтв і технологій Fulldome, Монреаль, 2015); б) Німбес (Лемерсьє та Гінзбург, 2017)

З появою віртуальної реальності значно зросла перспектива створення нових комп’ютерних ігор від першої особи. Ще трохи, і можна буде, надягнувши шолом Oculus Rift або НТС Vive, грати в улюблений шутер, не сидячи на дивані, а бігаючи по квартирі.

Шутер від першої особи (від англ. First-person shooter),або FPS, — жанр відеоігор, де основною частиною ігрового процесу є вид «з очей» головного героя (мал. 8.26).

Мал. 8.26. На свої очі

Віртуальна реальність дає змогу ризикувати всередині неї там, де у звичайному житті помилка може виявитися фатальною. Наприклад, за допомогою VR-пристроїв можна тренувати хірургів або пілотів. Технологія стає доступнішою, тому варто очікувати на її впровадження в різні галузі: архітектуру й інтер’єрний дизайн; спорт; медицину; мистецтво; навчання.