研究人員設計速度驚人的引擎只以信息作為燃料
發表在《美國國家科學院院刊》的一篇論文顯示,西蒙弗雷澤大學研究人員設計了一個速度驚人的引擎,它可以利用一種新的燃料-信息。這一引擎開發將微觀粒子隨機抖動轉化為儲存的能量,並可能導致計算機和生物納米技術在速度和成本方面的重大進步。
研究人員對如何快速有效地將信息轉化為”工作”的理解可能為現實世界的信息引擎設計和創造提供參考。研究人員想知道一個信息引擎能走多快,它能提取多少能量,所以他們做了一個。這種類型的發動機在150多年前首次被提出,但實際製造它們只是最近才成為可能。通過系統地研究這個引擎,並選擇正確的系統特性,研究人員將其能力提升到比其他類似實現方式高十倍以上的水平,從而使其成為目前同類中最好的信息引擎。
由SFU研究人員設計的信息引擎包括一個浸泡在水中的微觀粒子,並與一個彈簧相連,而彈簧本身則固定在一個可移動的平台上。然後研究人員觀察粒子由於熱運動而上下跳動。當研究人員看到一個向上的反彈時,研究人員將舞台向上移動以作出反應,當研究人員看到一個向下的反彈時,研究人員就等待。這最終只用關於粒子位置的信息來提升整個系統。重複這個程序,他們將粒子提升到一個很大的高度,從而儲存了大量的引力能量,而無需直接拉動粒子。
在實驗室裡,研究人員用一種被稱為光學陷阱的儀器來實現這個引擎,它使用激光在粒子上產生一個模仿彈簧和舞台的力。在研究人員的理論分析中,研究人員發現在粒子質量和粒子彈起的平均時間之間有一個有趣的權衡。雖然較重的粒子可以儲存更多的引力能量,但它們通常也需要更長的時間來向上移動。
在這一見解的指導下,研究人員挑選了粒子質量和其他發動機屬性,以最大限度地提高發動機提取能量的速度,超越了以前的設計,實現了與活細胞中的分子機械相媲美的動力,以及與快速游泳細菌相媲美的速度。