Компьютер размером с кредитную карту и умные швы. Какие инженерные изобретения созданы из ограничений?

Raspberry Pi Foundation: «Мы хотим разработать сверхдешевый компьютер для обучения детей программированию»

Основатель проекта Эбен Аптон представлял себе Raspberry Pi дешевым прочным устройством, которое поддерживает видео, игры, программы для творчества и выход в интернет. Полноценным компьютером по цене четырех-пяти чашек латте. 

Первая проблема возникла на этапе проверки идеи в 2006 году. Эбен Аптон хотел убедиться, что описанный им компьютер реально собрать. Он взял кусок картона, скачал в свободном доступе программу Easy-PC и собрал первый образец. Устройство включилось, но занимало треть кровати и не превосходило по мощности Acorn Electron или другие PC 80-х годов.

После проверки идеи разработчики стали наращивать мощность и создали платформу с поддержкой языка Python. Чтобы все работало, пришлось написать драйвера для SD-карт, файловую систему, текстовый редактор и другие элементы операционной системы. Получился компьютер для гиков, которые умеют писать программы и работать без графического интерфейса. 

Обычные пользователи не могли использовать Raspberry Pi без полноценной операционной системы. Возник вопрос: закрывать проект или усиливать комплектующие, устанавливать готовую операционку и поднять стоимость устройства до $100. Инженеры взяли паузу.

Проблему решили только в 2011 году, когда компания Broadcom выпустила процессор BCM 2835 на архитектуре ARM. Его мощности хватало, чтобы создать компьютер нужной спецификации. А главное — он позволял отказаться от самописной ОС в пользу Linux. Дальше осталось переработать и удешевить каждый компонент платы, чтобы обойтись без дополнительных комплектующих.

Инженеры изменили конструкцию и утвердили блок 5V micro USB. Получился бюджетный источник питания с универсальной зарядкой и потребляемой мощностью до 700 мА. Похожим образом разработчики переделали остальные компоненты и надеялись продать хотя бы 1000 плат.

Михаил, инженер Ajax Systems:

—  Как и в случае с Raspberry Pi, инженеры Ajax также уделяют много времени разработке компактных и практичных устройств для пользователей. Например, датчик мониторинга воздуха LifeQuality. Он создан для мониторинга состояния качества воздуха в помещении и контролирует уровень углекислого газа, температуру и влажность. 

Чтобы интеллектуальная система LifeQuality работала, — эксперты Ajax упаковали в компактный переносной корпус мощную начинку: 

• Инфракрасный датчик Sunrise для измерения CO2, который измеряет показания даже с загрязняющими веществами в воздухе. 
• Цифровая сенсорная платформа SHT40 для измерения влажности и температуры с точностью данных до ±0,2°C. 
• Акселерометр для оповещений о переносе устройство с места. 
• Батарейка емкостью на три года, чтобы располагать датчик в удобном месте и не привязываться к зоне с розетками. 
• Встроенная память, которая при обрыве интернет-соединения три дня хранит данные и синхронизируется с Ajax Cloud.

Когда высокоточные датчики располагаются в закрытом корпусе рядом с электроникой, то при длительной работе отдельные элементы могут нагреваться и влиять на точность измерений. Эксперты Ajax это учли и не просто упаковали интеллектуальную начинку в компактный корпус, но и максимально отдалили чувствительные датчики от электроники устройства. За счет этого LifeQuality может лучше измерять микроклимат помещения. 

Карлхайнц Бранденбург, создатель MP3: «Не говорите „нет“ профессору, который знает, что делает».

До появления mp3 музыку слушали на CD-дисках. Это были качественные, но тяжеловесные файлы для техники 80–90 годов. Они быстро занимали дисковое пространство, медленно передавались по сети и долго записывались на носители. С ростом аудиоконтента места на дисках стало катастрофически не хватать, понадобился новый формат записи звука — небольшой по размеру, с высокой скоростью передачи данных и приемлемым качеством на всех проигрывателях музыки. Нужен был именно mp3. 

Первые попытки сжать аудиофайл начались в 70-х годах. Профессор Дитер Зайтцер поставил перед студентами задачу: обеспечить высокоточную передачу человеческой речи через телефонные линии. Однако проект не был реализован из-за появления оптоволоконного кабеля, который решил проблему раньше.

Инженеры переключились на алгоритм, который должен эффективно кодировать и сжимать аудиосигналы. Прогресса не было, поскольку слабые компьютеры не позволяли проверять гипотезы на практике. Только в 1986 году получилось разделить сигнал на звуковые слои и передать его по цифровым телефонным линиям. Система работала, но была непрактичной и работала со сбоями.

Например, мозгу не обработать речь собеседника, если рядом находится громкий грузовик. Это называется слуховой маскировкой. До 1988 года Бранденбург вместе с другими учеными собирал данные и выяснял, какие звуки человек слышит и игнорирует. Инженеры изучали голоса, пение птиц, жанровую музыку и даже звук реактивного двигателя.

После серии экспериментов появилась технология MPEG Audio Layer III. Алгоритм брал трек, пропускал его через три слоя кодировки и сжимал аудиозапись, — удалял звуки, которые человек не должен различать на слух. Для первого трека Бранденбург выбрал песню певицы Сюзанны Вега, пропустил ее через MPEG Audio Layer III и получил отвратительный результат: алгоритм исказил голос, и технологию пришлось доработать.

Понадобился год и тысяча прослушиваний песни Сюзанны Вега, чтобы адаптировать модель под человеческий слух и добиться нужного звука.

Suzanne Vega — Tom’s Diner (original version): песня, которая вдохновила инженеров создать MP3. Саундтрек 1987 года. 

Слушать на YouTube

К 1995 году mp3-формат набрал популярность и получил аудиоплеер WinPlay3 для операционной системы Windows. MP3-треки весили на четверть меньше оригинальных записей, поэтому их активно скачивали, записывали и распространяли. Так началась эра цифрового контента, а крупнейший в мире легальный аудиоархив до сих пор доступен на mp3.com. 

Suzanne Vega, DNA — Tom’s Diner (Official Music Video). Клип от 22 октября 2021 года. Сравните звучание. 

Слушать на YouTube

Петр, инженер Ajax Systems:

— Понадобилось 30 лет, чтобы идея сжатия аудиофайлов стала mp3-форматом. Инженеры активно развивали проект и постепенно улучшали технологию, — без постоянных итераций кто знает, как бы скоро CD-диски вышли из моды. Похожим образом, с множеством подходов, мы в Ajax работали при создании клавиатуры KeyPad.  При разработке мы также столкнулись и с инженерными ограничениями — нашей задачей было обеспечить работу несколько функций в небольшом по размеру приборе. 

Сейчас KeyPad — это внешне простое и интуитивно понятное устройство для управления охранной системой Ajax. Вот некоторые возможности: 

• Вы нажимаете на кнопку или вводите код, передаете сигнал на центральный блок и включаете или отключаете сигнализацию. 
• Можно снять охрану под принуждением — это на случай, если грабители заставят ввести код и деактивировать сигнализацию. Код отключит сигнализацию и отправит охране сигнал тревоги.
• Можно установить сигнализацию только для части помещения, — в KeyPad для этого предусмотрены зоны режима охраны. При этом можно сделать общий пароль всем или индивидуально для каждого. Или дать кому-то доступ лишь к определенным зонам. 

Хусам Хайк, создатель умных швов: «Мы говорим о новом подходе к лечению ран на основе достижений четвертой промышленной революции»

«Умный» полимер уже протестирован на крысах. На очереди люди: осталось дождаться, пока инновация распространиться по миру. Однако ничего бы не произошло, если бы Хусам Хайк не придумал объединить технологии.

Идея для разработки «умного» материала возникла после просмотра «Звездных войн», где Люк Скайуокер носил роботизированную руку, чувствительную к боли и прикосновениям. 

Хусам Хайк начал разработку и в 2015 году получил первую версию гибкого датчика, который имитировал регенерацию человеческой кожи. Датчик работал, но восстановление занимало сутки и зависело от температуры. 

В 2020 году вышла доработанная версия датчика. Теперь он мог растягиваться на 1100% от первоначальной длины, умел контролировать температуру, кислотность, давление, был водостойким и восстанавливался примерно за одну минуту. Осталось решить проблему с биосовместимостью, чтобы датчик свободно контактировал с кожей или кровью и не терял функциональности.

Вторая версия «умного» пластыря, 2020 год. Демонстрация регенерации. Видео: technion.ac.il

Хусам Хайк, вооружившись предыдущими разработками, подключил коллег и принялся за создание самовосстанавливающегося и биосовместимого полимера. Получилась полупрозрачная структура с застежками-молниями, насыщенная молекулами азота и серы: скальпель ее вскрывает, а руки хирурга закрывают. Похоже на zip-шов на пачке кофе. 

Никита, инженер Ajax Systems: 

— Изобретение умных швов — не первый случай в истории, когда симбиоз нескольких технологий дает что-то полезное. В Ajax был случай, когда пришлось создавать фокусирующую систему для одного из сенсоров на основе зеркал. Обычно для фокусировки теплового излучения используют линзы френеля из полиэтилена. Однако если у девайса нестандартный размер, нужно создавать индивидуальную систему.

• Для начала мы погрузились в принципы расчета оптических систем и способы их моделирования. После провели вычисления и получили необходимые параметры для разработки прототипа. 
• После этого нам нужно было проверить полученные данные и на их основе выполнить прототипирование зеркал сложной формы. Для прототипа подойдет литье с дальнейшим гальваническим покрытием поверхности металлом, электроэрозионная резка, фрезеровка, 3D-печать и другое.
• Когда прототип готов, важно убедиться, что он соответствует заданным параметрам. Это снова ограничение, поскольку нужно придумать технологию и методику для исследования созданных прототипов. Мы собрали установку, которая сравнивает диаграммы направленности — проверяет, какая модель нужна и какую мы получили, создав прототип. 

Пример с фокусирующей системой — всего один из случаев, когда для решения какой-то незначительной, на первый взгляд, проблемы, инженерам пришлось проводить экспертизу, исследовать незнакомые области и разрабатывать технологию. К этому приходят не сразу — нужен опыт и правильное отношение к допущенным ошибкам. Хороший инженер всегда учиться и с каждой неудачей воспитывает в себе ощущение, что он на верном пути.

Кевин Эштон, изобретатель Интернета вещей: «Новатор взвешивает, какой будет человеческая жизнь через столетие»

Интернет вещей позволяет автоматизировать множество рутинных дел:

• Запрограммировать робот-пылесос на уборку квартиры. 
• Уберечь дом от затопления за счет датчиков протечки. 
• Вовремя получить оповещение о пожаре с помощью датчиков дыма. 
• Защитить квартиру от воров после установки датчиков движения и открытия дверей, видеокамер, сигнализаций и много чего другого. 

Если нужно, датчики не ограничатся оповещением. Они вызовут полицию, охрану или пожарных, чтобы в экстренных ситуациях вы ничего не забыли. 

Впервые концепция Интернета вещей была представлена в 1999 году инженером Кевином Эштоном. В 2015 году, по данным специалистов IoT Analytics, в мире насчитывалось около 3,6 миллиарда устройств интернета вещей. В 2021 году было уже 12,3 миллиарда девайсов, а к 2025 году отметка должна превысить 27 миллиардов. 

Чтобы Интернет вещей развивался, инженерам постоянно приходится преодолевать два ограничения: придумывать дешевый материал для вездесущих датчиков и дорабатывать Wi-Fi — чтобы связь была скоростной и подходила для одновременной работы с множеством устройств.

До 2022 года в мире не существовало материала для процессора, который бы стоил меньше цента и мог выпускаться в промышленных масштабах. Это связано с тем, что даже простые стандартные микроконтроллеры слишком сложны для массового изготовления. 

Чтобы создать максимально дешевое устройство, инженеры Иллинойского университета решили переработать дизайн. За основу взяли за четырех и восьмиразрядную архитектуру чипов. После серии тестов получился 4-х разрядный микроконтроллер FlexiCore с 2104 полупроводниковыми элементами на площади всего 5,6 квадратных миллиметра — примерно столько транзисторов содержится в процессоре Intel 4004. Чип получился гибким, долговечным, а по себестоимости не дотягивал даже до одного цента. 

Разработчики смогли обойти ограничения, потому что задумались о сфере применения технологии. Идея заключалась в том, что для большинства задач в интернете вещей устройствам не нужны мощные 16- или 32-битные чипы — достаточно 4 или 8 бит. С 4-битным получилось, а 8-битный чип оказался дорогим и с большим процентом брака в производственном цикле. 

Wi-Fi появился в 1999 году и стал основой концепции Интернета вещей. Стандарты протокола Wi-Fi с первой по пятую версии различались по мощности, но работали по одному принципу: «Кто первый встал — того и тапки». Это значит, что если у вас умный дом и вы смотрите сериал, умной лампочке приходится вставать в очередь, чтобы дождаться обновлений. Чем больше устройств ждут доступа к роутеру, тем выше конкуренция за канал и хаос с подключением.

Инженеры не могли увеличить пропускную способность Wi-Fi версии 5, поэтому для обхода ограничений создали следующую — шестую версию стандарта. Проектом занималась некоммерческая организация Wi-Fi Alliance. Специалисты объединили в Wi-Fi 6 целый комплекс технологий для Интернета вещей: 

• В 1,5 раза выросла скорость передачи данных. 
• Появилась функция Target Wait Time, которая снижает расход энергии у подключенных девайсов. Система анализирует все подключенные устройства и определяет, кому нужен интернет, а кого пока отключить. 
• Добавлен стандарт OFDMA, который увеличивает скорость подключения в людных местах: кафе, офисах, коворкингах. Роутер разбивает канал на множество ячеек, и устройствам не приходится конкурировать и становится в очередь, как было раньше. Ресурса хватает на одновременную поддержку соединения 74 устройств. 
• Для безопасного подключения множества гаджетов роутеры с поддержкой Wi-Fi 6 используют протокол шифрования WPA3. 
• Если нужно увеличить зону покрытия, — роутеры с Wi-Fi 6 легко объединяются в Mesh-систему — бесшовный Wi-Fi. Например, вы перемещаетесь, а соседний свободный роутер сам подхватывает сигнал.

Wi-Fi 6 появился в 2019 году и существует уже три года, но пока не может работать на пике возможностей. Все дело в клиентских устройствах, больше половины которых поддерживает одну из версий Wi-Fi старого поколения. 

В 2022 году Интернет вещей находится на первом этапе развития — в мире достаточно устройств и скорости соединения, чтобы управлять умным домом. Wi-Fi 6 и дешевые пластиковые чипы могут стать технологиями, которые выведут Интернет вещей на второй этап — когда в мире будет достаточно устройств и скорости соединения для повсеместного управления городами. Предполагается, что когда-то инженерам хватит мощности, чтобы подключить к Интернету вещей всю нашу планету.

Владимир, инженер Ajax Systems:

— Иногда инженеры вынуждены переработать технологию, чтобы решить задачу. Так экспертам Wi-Fi Alliance пришлось собрать Wi-Fi 6, а специалистам Ajax System, — операционную систему OS Malevich.  Malevich — это улучшенная версия операционки Ajax Hub, которая позволяет управлять охранными системами на больших объектах. Изначально OS Malevich разрабатывалась как операционная система реального времени.

Чтобы получить гибкую настраиваемую систему, — инженеры Ajax System взяли за основу идею упрощения и переработали все: изменили архитектуру, использовали новые стандарты оформления кода, организовали свой подход к программированию и работе.  

После релиза OS Malevich приобрела черты OS Linux. Теперь даже при ресурсоемких задачах процессор хаба не загружается свыше 20%, а нужные модули можно добавить через стандартизированные API. Это позволяет охранным компаниям адаптировать защитную систему под себя, экспериментировать и быстро устранять ошибки.