Комп’ютер розміром із кредитну картку та розумні шви. Які інженерні винаходи створені з обмежень?

Raspberry Pi Foundation: «Ми хочемо розробити наддешевий комп’ютер для навчання дітей програмування»

Засновник проєкту Ебен Аптон уявляв собі Raspberry Pi дешевим міцним пристроєм, що підтримує відео, ігри, програми для творчості та вихід в інтернет. Повноцінним комп’ютером за ціною чотирьох-п’яти чашок лате.

Перша проблема виникла на етапі перевірки ідеї у 2006 році. Ебен Аптон хотів переконатись, що описаний ним комп’ютер реально зібрати. Він узяв шматок картону, звантажив у вільному доступі програму Easy-PC і зібрав перший зразок. Пристрій увімкнувся, але займав третину ліжка та не перевершував за потужністю Acorn Electron або інші PC 80-х років.

Після перевірки ідеї розробники стали нарощувати потужність і створили платформу з підтримкою мови Python. Щоб усе працювало, довелося написати драйвери для карток SD, файлову систему, текстовий редактор та інші елементи операційної системи. Вийшов комп’ютер для гіків, які вміють писати програми та працювати без графічного інтерфейсу.

Звичайні користувачі не могли використовувати Raspberry Pi без повноцінної операційної системи. Виникло запитання: закривати проєкт або посилювати комплектувальні, встановлювати готову операційну систему та підняти вартість пристрою до $100. Інженери взяли паузу.

Проблему вирішили лише у 2011 році, коли компанія Broadcom випустила процесор BCM 2835 на архітектурі ARM. Його потужності вистачало, щоби створити комп’ютер потрібної специфікації. А головне — він давав змогу відмовитися від самописної ОС на користь Linux.

Далі залишилося переробити та здешевити кожен компонент плати, щоб обійтися без додаткових комплектувальних. Інженери змінили конструкцію та затвердили блок 5V micro USB. Вийшло бюджетне джерело живлення з універсальною зарядкою та споживаною потужністю до 700 мА. Подібно розробники переробили решту компонентів і сподівалися продати хоча б 1000 плат.

Михайло, інженер Ajax Systems:

— Як і у випадку з Raspberry Pi, інженери Ajax також багато часу приділяють розробленню компактних і практичних пристроїв для користувачів. Наприклад, датчик моніторингу повітря LifeQuality. Він створений для моніторингу стану якості повітря в приміщенні та контролює рівень вуглекислого газу, температуру та вологість.

Щоб інтелектуальна система LifeQuality працювала, експерти Ajax упакували в компактний переносний корпус потужну начинку:

• Інфрачервоний датчик Sunrise для вимірювання CO2, який вимірює показання навіть із забруднювальними речовинами в повітрі.
• Цифрова сенсорна платформа SHT40 для вимірювання вологості та температури з точністю даних до ±0,2°C.
• Акселерометр для сповіщень про перенесення пристрою з місця.
• Батарейка місткістю на три роки, щоб розташовувати датчик у зручному місці та не прив’язуватися до зони з розетками.
• Вбудована пам’ять, яка під час обривання інтернет-з’єднання три дні зберігає дані та синхронізується з Ajax Cloud.

Коли високоточні датчики розміщуються в закритому корпусі поряд з електронікою, за тривалої роботи окремі елементи можуть нагріватися та впливати на точність вимірювань. Експерти Ajax це врахували та не просто запакували інтелектуальну начинку в компактний корпус, а й максимально віддалили чутливі датчики від електроніки пристрою. Завдяки цьому LifeQuality може краще вимірювати мікроклімат приміщення.

Карлхайнц Бранденбург, засновник MP3: «Не кажіть „ні“ професору, який знає, що робить»

До появи MP3 музику слухали на CD-дисках. Це були якісні, але важкі файли для техніки 80–90 років. Вони швидко займали дисковий простір, повільно передавалися мережею та довго записувалися на носії. Зі зростанням аудіоконтенту місця на дисках стало катастрофічно не вистачати, знадобився новий формат запису звуку — невеликий за розміром, із високою швидкістю передання даних і прийнятною якістю на всіх програвачах музики. Потрібен був саме mp3.

Перші спроби стиснути аудіофайл розпочалися в 70-х роках. Професор Дітер Зайтцер поставив перед студентами завдання забезпечити високоточну передачу людської мови через телефонні лінії. Проте проєкт не було реалізовано через появу оптоволоконного кабелю, який розв’язав проблему раніше.

Інженери перемикалися на алгоритм, який має ефективно кодувати та стискати аудіосигнали. Прогресу не було, оскільки слабкі комп’ютери не давали змогу перевіряти гіпотези практично. Тільки в 1986 році вдалося розділити сигнал на звукові шари та передати його цифровими телефонними лініями. Система працювала, але була непрактичною та працювала зі збоями.

Наприклад, мозку не обробити промову співрозмовника, якщо поруч є гучна вантажівка. Це називається слуховим маскуванням. До 1988 року Бранденбург разом з іншими вченими збирав дані та з’ясовував, які звуки людина чує й ігнорує. Інженери вивчали голоси, співи птахів, жанрову музику та навіть звук реактивного двигуна.

Після серії експериментів з’явилася технологія MPEG Audio Layer III. Алгоритм брав трек, пропускав його через три шари кодування та стискав аудіозапис — видаляв звуки, які людина не повинна розрізняти на слух. Для першого треку Бранденбург вибрав пісню співачки Сюзанни Вега, пропустив її через MPEG Audio Layer III та отримав огидний результат: алгоритм спотворив голос, і технологію довелося доопрацювати.

Знадобився рік і тисяча прослуховувань пісні Сюзанни Вега, щоб адаптувати модель під людський слух і досягти потрібного звуку.

Suzanne Vega — Tom’s Diner (original version): пісня, яка надихнула інженерів створити MP3. Саундтрек 1987 року. 

Слухати на YouTube 

До 1995 року mp3-формат набрав популярність та отримав аудіоплеєр WinPlay3 для операційної системи Windows. MP3-треки важили на чверть менше оригінальних записів, тому їх активно завантажували, записували та розповсюджували. Так почалася ера цифрового контенту, а найбільший у світі легальний аудіоархів досі доступний на mp3.com.

Suzanne Vega, DNA — Tom’s Diner (Official Music Video). Кліп від 22 жовтня 2021 року. Порівняйте звучання. 

Слухати на YouTube

Петро, інженер Ajax Systems:

— Потрібно було 30 років, щоб ідея стиснення аудіофайлів стала mp3-форматом. Інженери активно розвивали проєкт і поступово покращували технологію, — без постійних ітерацій хтозна, як би скоро CD-диски вийшли з моди. Так само, з безліччю підходів, ми в Ajax працювали під час створення клавіатури KeyPad. При розробці ми також зіткнулися і з інженерними обмеженнями — нашим завданням було забезпечити кілька функцій у невеликому за розміром пристрої.

Зараз KeyPad — це зовні простий та інтуїтивно зрозумілий пристрій для керування охоронною системою Ajax.
Ось деякі можливості:

• Ви натискаєте кнопку або вводите код, передаєте сигнал на центральний блок і вмикаєте або вимикаєте сигналізацію.
• Можна зняти охорону під примусом — це на випадок, якщо грабіжники змусять ввести код і деактивувати сигналізацію. Код вимкне сигналізацію та надішле охороні сигнал тривоги.
• Можна встановити сигналізацію тільки для частини приміщення, у KeyPad для цього передбачені зони режиму охорони. Водночас можна зробити спільний пароль для всіх або індивідуально для кожного. Або дати комусь доступ лише до певних зон.

Хусам Хайк, засновник розумних швів: «Ми говоримо про новий підхід до лікування ран на основі досягнень четвертої промислової революції»

«Розумний» полімер уже протестований на щурах. На черзі люди: залишилося дочекатися, поки інновація пошириться світом. Однак нічого не сталося б, якби Хусам Хайк не придумав об’єднати технології.

Ідея для розроблення «розумного» матеріалу виникла після перегляду «Зоряних воєн», де Люк Скайвокер носив роботизовану руку, чутливу до болю та дотиків.

Хусам Хайк розпочав розроблення й у 2015 році отримав першу версію гнучкого датчика, який імітував регенерацію людської шкіри. Датчик працював, але відновлення займало добу та залежало від температури.

У 2020 році вийшла допрацьована версія датчика. Тепер він міг розтягуватися на 1100% від початкової довжини, умів контролювати температуру, кислотність, тиск, був водостійким і відновлювався приблизно за одну хвилину. Залишилося розв’язати проблему з біосумісністю, щоб датчик вільно контактував зі шкірою чи кров’ю та не втрачав функціональності.

Друга версія «розумного» пластиру, 2020 рік. Демонстрація регенерації. Відео: technion.ac.il

Хусам Хайк, озброївшись попередніми розробленнями, залучив колег і взявся за створення самовідновлюваного та біосумісного полімеру. Вийшла напівпрозора структура із застібками-блискавками, насичена молекулами азоту та сірки: скальпель її розтинає, а руки хірурга закривають. Схоже на zip-шов на пакуванні кави.

Якщо технологія отримає розвиток, вона допоможе багатьом пацієнтам швидко відновлюватися після операцій і своєчасно отримувати допомогу під час ускладнень і рецидивів.

Микита, інженер Ajax Systems:

— Винахід розумних швів — не перший випадок в історії, коли симбіоз кількох технологій дає щось корисне. У Ajax був випадок, коли довелося створювати фокусувальну систему для одного із сенсорів на основі дзеркал. Зазвичай для фокусування теплового випромінювання використовують лінзи френелю з поліетилену. Однак якщо в девайса нестандартний розмір, потрібно створювати індивідуальну систему.

• Для початку ми поринули в принципи розрахунку оптичних систем і способи їхнього моделювання. Після провели обчислення й отримали необхідні параметри для розроблення прототипу.
• Після цього нам потрібно було перевірити отримані дані та на їхній основі виконати прототипування дзеркал складної форми. Для прототипу підійде лиття з подальшим гальванічним покриттям поверхні металом, електроерозійне різання, фрезерування, 3D-друк та інше.
• Коли прототип готовий, важливо переконатись, що він відповідає заданим параметрам. Це знову обмеження, оскільки потрібно вигадати технологію та методику для дослідження створених прототипів. Ми зібрали установку, яка порівнює діаграми спрямованості — перевіряє, яка модель потрібна та яку ми отримали, створивши прототип.

Приклад із фокусувальною системою — лише один із випадків, коли для вирішення якоїсь незначної, на перший погляд, проблеми інженерам довелося проводити експертизу, досліджувати незнайомі галузі та розробляти технологію. До цього приходять не відразу — потрібен досвід і правильне ставлення до допущених помилок. Хороший інженер завжди вчиться і з кожною невдачею виховує відчуття, що він на правильному шляху.

Кевін Ештон, винахідник Інтернету речей: «Новатор зважує, яким буде людське життя через століття»

Інтернет речей дає змогу автоматизувати безліч рутинних справ:

• Запрограмувати робот-пилосос на прибирання квартири.
• Уберегти будинок від затоплення, користуючись датчиками протікання.
• Вчасно отримати сповіщення про пожежу за допомогою датчиків диму.
• Захистити квартиру від злодіїв після встановлення датчиків руху та відкриття дверей, відеокамер, сигналізацій і багато чого іншого.

Якщо потрібно, датчики не обмежаться оповіщенням. Вони викличуть поліцію, охорону чи пожежників, щоби в екстрених ситуаціях ви нічого не забули.

Уперше концепція Інтернету речей була представлена ​​в 1999 році інженером Кевіном Ештоном. У 2015 році, за даними фахівців IoT Analytics, у світі налічувалося приблизно 3,6 мільярда пристроїв Інтернету речей. У 2021 році було вже 12,3 мільярда девайсів, а до 2025 року позначка має перевищити 27 мільярдів.

Щоб Інтернет речей розвивався, інженерам постійно доводиться долати два обмеження: вигадувати дешевий матеріал для всюдисущих датчиків і доопрацьовувати Wi-Fi — щоб зв’язок був швидкісним і підходив для одночасної роботи з безліччю пристроїв.

До 2022 року у світі не було матеріалу для процесора, який коштував би менш як цент і міг випускатися в промислових масштабах. Це пов’язано з тим, що навіть прості стандартні мікроконтролери надто складні для виробництва.

Щоби створити максимально дешевий пристрій, інженери Іллінойського університету вирішили переробити дизайн. За основу взяли чотири- та восьмирозрядну архітектуру чипів. Після серії тестів вийшов 4-х розрядний мікроконтролер FlexiCore з 2104 напівпровідниковими елементами на площі всього 5,6 квадратного міліметра — приблизно стільки ж транзисторів міститься в процесорі Intel 4004.

Розробники змогли обійти обмеження, тому що замислилися про сферу застосування технології. Ідея полягала в тому, що для більшості завдань в Інтернеті речей пристроям не потрібні потужні 16- або 32-бітові чипи — достатньо 4 або 8 біт. З 4-бітним вийшло, а 8-бітний чип виявився дорогим і з більшим відсотком браку у виробничому циклі.

Wi-Fi з’явився в 1999 році та став основою концепції Інтернету речей. Стандарти протоколу Wi-Fi з першої до п’ятої версії розрізнялися за потужністю, але працювали за одним принципом: «Хто перший встав — того й капці». Це означає, що якщо у вас розумний будинок і ви дивитеся серіал, розумній лампочці доводиться вставати в чергу, щоб дочекатися оновлень. Що більше пристроїв чекають на доступ до роутера, то вище конкуренція за канал і хаос із підключенням.

Інженери не могли збільшити пропускну спроможність Wi-Fi версії 5, тому, щоб обійти обмеження, створили таку шосту версію стандарту. Проєктом займалася некомерційна організація Wi-Fi Alliance. Фахівці об'єднали у Wi-Fi 6 цілий комплекс технологій для Інтернету речей:

• У 1,5 раза зросла швидкість передачі.
• З’явилася функція Target Wait Time, яка знижує витрату енергії в підключених девайсах. Система аналізує всі підключені пристрої та визначає, кому потрібен інтернет, а кого поки що відключити.
• Додано стандарт OFDMA, який збільшує швидкість підключення в людних місцях: кафе, офісах, коворкінгах. Роутер розбиває канал на безліч осередків, і пристроям не доводиться конкурувати та ставати в чергу, як було раніше. Ресурсу вистачає на одночасну підтримку з'єднання 74 пристроїв.
• Для безпечного підключення гаджетів роутери з підтримкою Wi-Fi 6 використовують протокол шифрування WPA3.
• Якщо потрібно збільшити зону покриття, роутери з Wi-Fi 6 легко об'єднують їх у Mesh-систему — безшовний Wi-Fi. Наприклад, ви рухаєтеся, а сусідній вільний роутер сам підхоплює сигнал.

Wi-Fi 6 з’явився у 2019 році й існує вже три роки, але поки що не може працювати на піку можливостей. Уся справа в клієнтських пристроях, більш ніж половина яких підтримує одну з версій Wi-Fi старого покоління.

У 2022 році Інтернет речей перебуває на першому етапі розвитку — у світі достатньо пристроїв і швидкості з'єднання, щоб керувати розумним будинком. Wi-Fi 6 і дешеві пластикові чипи можуть стати технологіями, які виведуть Інтернет речей на другий етап — коли у світі буде достатньо пристроїв і швидкості з'єднання для повсюдного керування містами. Передбачається, що колись інженерам вистачить потужності, щоб приєднати до Інтернету речі всю нашу планету.

Володимир, інженер Ajax Systems:

— Іноді інженери змушені переробити технологію, щоб розв’язати завдання. Так, експертам Wi-Fi Alliance довелося зібрати Wi-Fi 6, а фахівцям Ajax System — операційну систему OS Malevich. Malevich — це покращена версія операційної системи Ajax Hub, яка дає змогу керувати охоронними системами на великих об'єктах. Спочатку OS Malevich розроблялася як операційна система реального часу.

Щоб отримати гнучку систему, що налаштовується, інженери Ajax System узяли за основу ідею спрощення та переробили все: змінили архітектуру, використовували нові стандарти оформлення коду, організували свій підхід до програмування та роботи.

Після релізу OS Malevich набула рис OS Linux. Тепер навіть під час ресурсомістких завдань процесор хабу не завантажується понад 20%, а потрібні модулі можна додати через стандартизовані API. Це дає змогу охоронним компаніям адаптувати захисну систему під себе, експериментувати та швидко усувати помилки.