Множество цифровой и бытовой техники пришло к нам из космоса. Ян Эвенден рассказывает подробно.

Часть 2

Датчики с видеокамерой

Появление крошечных камер в смартфонах, GoPro и им подобных девайсах связывают с попытками НАСА создать компактную и недорогую систему индикации.

Первым цифровым датчиком изображения была фоточувствительная ПЗС матрица (CCD). Каждая строка матрицы разбита на пиксели. Данные по ним передаются до тех пор, пока не достигнут края чипа, где сигнал усиливается и происходит их запись. Вскоре на замену ей пришла КМОП-структура (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник – по той же технологии построена энергонезависимая память BIOS). Здесь каждый пиксель может усиливать свой собственный заряд, и оттого датчик становится более энергоэффективным и чувствительным. Такой датчик прозвали активно-пиксельным (APS), а разработала его впервые японская компания Olympus. Toshiba и Canon последовали её примеру, однако сместить CCD с лидирующих позиций им не удалось.

Лаборатории реактивных двигателей НАСА удалось произвести первые APS за пределами Японии. Команду возглавлял Эрик Фоссум. Вскоре он покинул агентство и основал компанию Photobit со своим партнёром, Сабриной Кемени, в 1995 году. Вместе они вывели в коммерческий оборот технологию APS, внедрив её в такие устройства, как эндоскопы, цифровые зеркальные фотоаппараты, мобильные телефоны и веб-камеры. Датчики Photobit использовались также в продуктах Logotech и Intel. В 2001 году компанию выкупил техногигант Micron. С появлением видео в HD-качестве большинство производителей камер перешли на технологию КМОП, поскольку низкое энергопотребление при её применении означало, что большее число пикселей можно было интегрировать без риска перегрева или истощения батареи.

Устройства с зарядовой связью до сих пор применяются для визуализации астрономических объектов (например, в космическом телескопе «Хаббл»), однако чипы КМОП могли бы вытеснить их полностью. При высоком разрешении и низком уровне помех они идеально подошли бы для схватывания сигнала из далёких галактик.

Майлар

Покройте полимерную плёнку (биаксиально-ориентированный полиэтилентерефталат, точнее говоря) тонким слоем алюминия или другого металла, и вы получите майлар – тонкий лист, который отражает 99 процентов света, в том числе и большую часть инфракрасного спектра. Добавьте ещё один слой полиэтилена, и вы получите материал, стойкий к прокалыванию и непроницаемый для жидкости или газов.

Применений майлара бесчисленное множество. Он есть в акустических колонках, наушниках и микрофонах. В клавиатурах. В дискетах и кассетах. От автоматов для игры в пинбол до конденсаторов на материнских платах и серебряных одеял, которые используют в спасательных службах, – везде используется майлар. И при производстве банджо он тоже применяется.

Вы бы также узнали его в серебряном покрытии спускаемой ступени лунного модуля «Аполлона» или в защитной обмотке телескопа «Хаббл». Будучи тонким и лёгким, он обладал хорошими изоляционными свойствами, а значит идеально подходил для космического корабля, и потому НАСА занималось его разработкой.

Появление майлара связывают с химическими компаниями DuPont, ICI и Hoechst в 1950-х годах. Они разработали плёнку BoPET. Kodak взяла её себе на вооружение и с её помощью стала экспонировать катушки длиной 6000 футов во время дальних разведывательных полётов U-2. Вкладом НАСА было создание металлического покрытия: в 1960-м агентство запустило Project Echo, пассивный спутник связи, представлявший собой огромный воздушный шар. Шары из майлара запускались на орбиту, а затем надувались на 100 футов (30,48 м) в диаметре. Служили они только для отражения радиосигналов микроволнового диапазона. Однако с ними была проблема. Из-за того, что шары были большими и лёгкими, их уносило солнечным ветром. Впрочем, и это обстоятельство НАСА использовало с выгодой для себя, создав солнечный парус Sunjammer.

Другие космические агентства тоже не отставали. Взять хотя бы Японию с её IKAROS. Космический аппарат представляет собой огромные полотна майлара, которые получают ускорение за счёт потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Беспроводной пылесос

Каждый раз, выдувая пыль из корпуса своего ПК ручным пылесосом, вы уподобляетесь астронавтам, собиравшим образцы с лунной поверхности.

Всё началось с аккумуляторного перфоратора, предназначенного для использования на Луне. Предполагалось, что он сможет бурить горные породы и в то же время потреблять очень малое количество электроэнергии. И хотя большинство образцов собиралось с поверхности, в отдельных случаях астронавтам удавалось достичь глубины 10 футов (3,05 м). Перфораторам требовался собственный источник электроэнергии, но, поскольку нести с собой кучу батарей электропитания астронавтам не хотелось, нужно было ещё, чтобы он был небольшого размера, лёгким и мощным.

Над решением этой проблемы вместе с НАСА работала американская компания Black & Decker. Совместными усилиями им удалось разработать компьютерную программу, которая оптимизировала конструкцию магнитного двигателя таким образом, чтобы тот потреблял минимум электроэнергии.  Отделу исследований оставалось лишь запустить продуктовую линейку от Black & Decker, что привело к появлению ряда беспроводных приборов, в том числе Dustbuster в 1979 году. В первый год было продано около миллиона экземпляров, а всего более 100 млн штук.

Пыль является проблемой в космосе, и потому разработка этой технологии продолжилась. В 2019-м НАСА обратилось к университетам за идеями относительно того, как держать абразивную пыль подальше от приборов и скафандров.

Команда из Университета Колорадо в Боулдере представила отрицательно заряженный электронный луч, который, касаясь пыли в вакуумной камере, заставлял её отскакивать от поверхности. Может быть, через 20 лет и мы будем чистить наши ПК с помощью электронных лучей.

Виртуальная реальность

80-е были хорошим временем для развития технологии виртуальной реальности. Проекты VR получали финансирование от игровых компаний и военных ведомств, а исследователи мечтали о космической станции, где астронавты лежали бы на диванах и с помощью VR-устройств контролировали роботов, выполнявшими за них всю работу.

Но этого не случилось. МКС – это не блестяще-белая sci-fi-утопия, а тесное и периодически сбоящее скопление модулей, национальностей и технологий. Техника 80-х оказалась непригодна для VR: шлемы были слишком тяжёлыми, компьютеры – слишком медленными, а первые сенсорные интерфейсы не работали.

Результатом последующего переосмысления стала AERCam Sprint– видеокамера для свободного полета, работающая на азотных двигателях. Её батареи хватало на 7 часов полёта. И хотя управление происходило посредством лэптопа, а не шлема виртуальной реальности, НАСА не оставляло попытки создать робота, который бы работал вместе с другими астронавтами. И тогда на помощь агентству пришла Sony.

PlayStation VR была платформой для «Mighty Morphenaut» – обучающей игры, спроектированной для того, чтобы помочь людям научиться управлять Robonaut 2. Роботы выглядели как дикая помесь Бишопа из «Чужого» и Сайлона из «Звёздного крейсера «Галактика»».

На начальном этапе без проблем не обошлось, особенно из-за лагов. «Мы надеемся на то, что люди быстрее научатся управлять роботом и активировать более быстрый, прямой контроль движения, если поместить их в среду, с которой они могли бы взаимодействовать более интуитивно, чем при помощи мыши и клавиатуры», — сообщил Гаррет Джонсон, специалист по программному обеспечению из лаборатории реактивных двигателей НАСА, в интервью 2016 года. – [С помощью Mighty Morphenaut] мы смогли прийти к возможному решению и наглядно показать проблемы эксплуатации с замедленной коммуникацией. Из-за временной задержки прогнозировать направление плавающих в воздухе предметов почти невозможно, так что дальнейшие исследования можно посвятить тому, как помочь предсказывать пользователям движения такого рода».

Ссылка на 1-ю часть:https://habr.com/ru/post/579874/