Как работают плащи-невидимки

Признай это. Вы бы хотели иметь плащ-невидимку. Произнести неловкую оплошность на вечеринке? Просто наденьте свое волшебное одеяние и исчезните из виду надменных взглядов товарищей по вечеринке. Хотите услышать, что ваш босс на самом деле говорит о вас? Прогулка прямо в его или ее офисе и получить товар.

Такие фантастические модные аксессуары стали смехотворно стандартными в мире научной фантастики и фэнтези. У каждого, от мальчика-волшебника до межгалактического охотника за сафари, есть хотя бы одна блузка-невидимка в гардеробе, но как насчет нас, бедняг, в реальном мире?

Итак, магглы, у науки есть для вас хорошие новости: плащи-невидимки — это реальность. Технология далека от совершенства, но если вы зайдете в наш высокотехнологичный бутик исчезающей одежды, мы поможем вам выбрать плащ-невидимку.

Во-первых, мы рассмотрим несколько замечательных модных моделей из углеродных нанотрубок — только что из коллекции UTD NanoTech Institute осени 2011 года. Эта новая технология вдохновлена ​​теми же природными явлениями, что и миражи пустыни . Нагрев с помощью электрической стимуляции, резкий температурный градиент между плащом и окружающей средой вызывает крутой температурный градиент, который отклоняет свет от носителя. Подвох: владельцы должны любить воду и уметь помещаться в чашке Петри.

Или, возможно, вы предпочитаете что-то сделанное из метаматериалов. Эти крошечные структуры меньше, чем длина волны света. Если они правильно сконструированы, они направляют лучи света вокруг объекта — подобно камню, отводящему воду в ручье. На данный момент, однако, технология работает только в двух измерениях и имеет ультрамалый размер 10 микрометров в поперечнике.

Если вам больше по душе ретро-мода, есть также технология оптического камуфляжа, разработанная учеными Токийского университета. Этот подход работает на тех же принципах синего экрана, которые используют синоптики на телевидении и голливудские кинематографисты. Если вы хотите, чтобы люди видели вас насквозь, то почему бы просто не снять то, что у вас за спиной, и не спроецировать это на свое тело? Если вы путешествуете с видеооператорами, этот плащ может быть для вас.

Готовы примерить некоторые из этих моделей на размер?

Содержание

1. Эффект миража: углеродные нанотрубки
2. Метаматериалы: искривление световых волн
3. Метаматериалы: невидимые резервуары
4. Оптический камуфляж: измененная реальность
5. Оптический камуфляж: компоненты плаща-невидимки
6. Оптический камуфляж: дополнительные компоненты плаща-невидимки
7. Оптический камуфляж: полная система невидимости
8. Оптический камуфляж: применение невидимости в реальном мире

Во-первых, давайте примерим этот плащ-невидимку из углеродных нанотрубок и испытаем чудеса эффекта миража.

Вы, вероятно, больше всего знакомы с миражами из рассказов о странниках пустыни, которые мельком увидели далекий оазис, только чтобы обнаружить, что это был всего лишь мираж — не чудесное озеро с питьевой водой, а только еще больше горячего песка.

Горячий песок является ключом к эффекту миража (или фототермическому отклонению ), поскольку жесткая разница температур между песком и воздухом изгибает или преломляет световые лучи . Преломление направляет световые лучи вверх к глазам зрителя, а не отражает их от поверхности. В классическом примере пустынного миража этот эффект приводит к тому, что на земле появляется «лужа» неба, которую логический (и жаждущий) мозг интерпретирует как лужу воды. Вы, вероятно, видели подобные эффекты на горячих поверхностях проезжей части, когда отдаленные участки дороги блестят от скопившейся воды.

В 2011 году исследователям Техасского университета в Далласском институте нанотехнологий удалось извлечь выгоду из этого эффекта. Они использовали листы углеродных нанотрубок , листы углерода, завернутые в цилиндрические трубки [источник: Алиев и др. ]. Толщина каждой страницы едва ли равна толщине отдельной молекулы, но она прочна, как сталь, потому что атомы углерода в каждой трубке связаны невероятно прочно. Эти листы также являются отличными проводниками тепла, что делает их идеальными создателями миражей.

В ходе эксперимента исследователи нагрели листы электричеством, которое передало тепло окружающему пространству (чашке Петри с водой ). Как вы можете видеть на фотографиях, это заставило свет отклоняться от листа углеродных нанотрубок, эффективно скрывая все, что находится за ним, невидимым.

Излишне говорить, что не так много мест, где вы хотели бы носить крошечный, перегретый костюм, который должен оставаться погруженным в воду, но эксперимент демонстрирует потенциал таких материалов. Со временем в результате исследований могут появиться не только плащи-невидимки, но и другие устройства для изменения света — все они с удобным выключателем.

Далее, давайте наденем плащ-невидимку из метаматериалов.

Метаматериалы предлагают более убедительное видение технологии невидимости без необходимости использования нескольких проекторов и камер. Впервые концептуализированные русским физиком Виктором Веселаго в 1967 году, эти крошечные искусственные структуры меньше длины волны света (они должны быть такими, чтобы отклонять их) и обладают отрицательными электромагнитными свойствами, которые влияют на то, как объект взаимодействует с электромагнитными полями.

Все природные материалы имеют положительный показатель преломления , и это определяет, как с ними взаимодействуют световые волны . Преломление частично связано с химическим составом, но внутренняя структура играет еще более важную роль. Если мы изменим структуру материала в достаточно малом масштабе, мы сможем изменить то, как они преломляют входящие волны, — даже заставив переключиться с положительного на отрицательное преломление.

Помните, изображения достигают нас через световые волны. Звуки доходят до нас через звуковые волны. Если вы можете направить эти волны вокруг объекта, вы сможете эффективно скрыть его от глаз и звука. Представьте небольшой ручей. Если вы бросите чайный пакетик, полный красного красителя, в текущую воду, его присутствие станет очевидным ниже по течению благодаря тому, как он изменил оттенок, вкус и запах воды. Но что, если бы вы могли направить воду вокруг чайного пакетика?

В 2006 году Дэвид Смит из Университета Дьюка взял более раннюю теорию, выдвинутую английским физиком-теоретиком Джоном Пендри, и использовал ее для создания метаматериала, способного искажать поток микроволн. Ткань метаматериала Смита состояла из концентрических колец, содержащих электронные микроволновые искатели. При активации они направляют микроволны определенной частоты вокруг центральной части материала.

Очевидно, что люди не видят в микроволновом спектре, но технология продемонстрировала, что энергетические волны могут направляться вокруг объекта. Представьте себе плащ, который может отклонить подожженный соломой плевок третьеклассника, переместить его вокруг носителя и позволить ему продолжить движение с другой стороны, как если бы его траектория прошла, не встретив сопротивления, прямо сквозь человека в плаще. Теперь, насколько больше будет натяжка, чтобы отклонить камень? Пуля?

Метаматериалы Смита подтвердили этот метод. Рецепт невидимости заключался в адаптации его к различным волнам.

Подробнее о метаматериалах далее.

Самая маленькая граница

Метаматериалы, созданные наукой, не встречаются в природе. Для создания мельчайших структур, необходимых для перенаправления электромагнитных волн, ученые используют нанотехнологии. Прочтите «Как работают нанотехнологии », чтобы узнать все о самых маленьких машинах в мире.

В 2007 году Игорь Смольянинов из Мэрилендского университета продвинул свою команду еще дальше по дороге к невидимости. Включив более ранние теории, предложенные Владимиром Шалавом из Университета Пердью, Смольянинов сконструировал метаматериал, способный преломлять видимый свет вокруг объекта.

A mere 10 micrometers wide, the Purdue cloak uses concentric gold rings injected with polarized cyan light. These rings steer incoming light waves away from the hidden object, effectively making it invisible. Chinese physicists at Wuhan University have taken this concept into the audible range, proposing the creation of an acoustic invisibility cloak capable of diverting sound waves around an object.

For the time being, metamaterial invisibility cloaks are somewhat limited. They're not only small; they're limited to two dimensions -- hardly what you'd need to vanish into the scenery of a 3-D war zone. Plus, the resulting cloak would weigh more than even a full-grown wizard could hope to lug around. As a result, the technology might be better suited to applications such as hiding stationary buildings or vehicles, such as a tank.

Готовы облачиться в олдскульный оптический камуфляж?

Эта технология использует преимущество так называемой технологии дополненной реальности — технологии, впервые предложенной в 1960-х годах Иваном Сазерлендом и его студентами в Гарвардском университете и Университете штата Юта.

Оптический камуфляж дает тот же эффект, что и плащ-невидимка Гарри Поттера, но его использование требует немного сложного устройства. Во-первых, человек, который хочет быть невидимым (назовем его Гарри), надевает одежду, напоминающую плащ с капюшоном. Одежда изготовлена ​​из особого материала, который мы рассмотрим более подробно через мгновение.

Затем наблюдатель (назовем его профессор Снейп) стоит перед Гарри в определенном месте. В этом месте, вместо того, чтобы видеть Гарри в плаще с капюшоном, Снейп видит сквозь плащ, из-за чего Гарри кажется невидимым. На приведенной выше фотографии показано, что увидел бы Снейп. А если Снейп отойдет в сторону и увидит Гарри с немного другого места? Да ведь он просто видел мальчика-волшебника в серебряном одеянии. Скорее всего, последуют хмурые взгляды и задержания. К счастью для Гарри, его вымышленный плащ обеспечивает защиту на 360 градусов.

Оптический камуфляж не работает по волшебству. Он работает, используя преимущество так называемой технологии дополненной реальности — технологии, впервые предложенной в 1960-х годах Иваном Сазерлендом и его студентами в Гарвардском университете и Университете штата Юта. Вы можете больше узнать о дополненной реальности в статье «Как работает дополненная реальность », но краткий обзор будет полезен здесь.

Системы дополненной реальности добавляют сгенерированную компьютером информацию к сенсорному восприятию пользователя. Представьте, например, что вы идете по городской улице. Когда вы смотрите на сайты по пути, появляется дополнительная информация, которая улучшает и обогащает ваш обычный вид. Возможно, это специальные предложения дня в ресторане, или расписание сеансов в театре, или расписание автобусов на вокзале. Важно понимать, что дополненная реальность — это не то же самое, что виртуальная реальность. В то время как виртуальная реальность стремится заменить мир, дополненная реальность просто пытается дополнить его дополнительным полезным контентом. Думайте об этом как о дисплее на лобовом стекле (HUD) для повседневной жизни.

Большинство систем дополненной реальности требуют, чтобы пользователь смотрел через специальное устройство просмотра, чтобы увидеть реальную сцену, дополненную синтезированной графикой. Они также требуют мощного компьютера. Оптический камуфляж также требует этих вещей, но также требует нескольких других компонентов. Вот все, что нужно, чтобы человек казался невидимым:

На следующей странице мы рассмотрим каждый из этих компонентов более подробно.

Итак, у вас есть видеокамера, компьютер, проектор, объединитель и чудесный светоотражающий плащ. Как технологии дополненной реальности превращают этот странный список покупок в рецепт невидимости?

Во-первых, давайте поближе познакомимся с плащом: он сделан из светоотражающего материала. Эта высокотехнологичная ткань покрыта тысячами и тысячами мелких бусин. Когда свет попадает на одну из этих бусинок, световые лучи отражаются точно в том же направлении, откуда пришли.

Чтобы понять, почему это уникально, посмотрите, как свет отражается от других типов поверхностей. Шероховатая поверхность создает рассеянное отражение, потому что падающие (входящие) световые лучи рассеиваются в разных направлениях. Совершенно гладкая поверхность, подобная поверхности зеркала , создает так называемое зеркальное отражение — отражение, при котором падающие и отраженные световые лучи образуют одинаковый угол с поверхностью зеркала.

При обратном отражении стеклянные шарики действуют как призмы, преломляя световые лучи. Это заставляет отраженные световые лучи возвращаться назад по тому же пути, что и падающие световые лучи. Результат: наблюдатель, находящийся у источника света, получает больше отраженного света и поэтому видит более яркое отражение.

Световозвращающие материалы на самом деле довольно распространены. Дорожные знаки, дорожные знаки и велосипедные отражатели используют преимущества световозвращения, чтобы быть более заметными для водителей в темное время суток. Киноэкраны, используемые в большинстве современных коммерческих кинотеатров, также используют этот материал, поскольку он обеспечивает высокую яркость в темных условиях. В оптическом камуфляже использование световозвращающего материала имеет решающее значение, поскольку его можно увидеть издалека и снаружи при ярком солнечном свете — два условия для создания иллюзии невидимости.

Для остальной части установки видеокамера должна быть расположена позади объекта, чтобы захватить фон. Компьютер берет захваченное изображение с видеокамеры, рассчитывает соответствующую перспективу и преобразует захваченное изображение в изображение, которое будет проецироваться на световозвращающий материал.

Затем проектор освещает измененное изображение на одежде, направляя луч света через отверстие, контролируемое устройством, называемым ирисовой диафрагмой . Эта диафрагма сделана из тонких непрозрачных пластин, а поворот кольца изменяет диаметр центрального отверстия. Чтобы оптический камуфляж работал должным образом, это отверстие должно быть размером с точечное отверстие. Почему? Это обеспечивает большую глубину резкости, так что экран (в данном случае плащ) можно расположить на любом расстоянии от проектора.

Наконец, для всей системы требуется специальное зеркало, чтобы отражать проецируемое изображение на плащ и позволять световым лучам, отражающимся от плаща, возвращаться в глаза пользователя. Это специальное зеркало называется светоделителем или объединителем — наполовину посеребренное зеркало, которое одновременно отражает свет (посеребренная половина) и пропускает свет (прозрачная половина).

При правильном размещении перед глазами пользователя объединитель позволяет пользователю воспринимать как изображение, усиленное компьютером, так и свет от окружающего мира. Это очень важно, потому что компьютерное изображение и реальная сцена должны быть полностью интегрированы, чтобы иллюзия невидимости казалась реалистичной. Пользователь должен посмотреть в глазок в этом зеркале, чтобы увидеть дополненную реальность .

На следующей странице мы рассмотрим, как вся эта система объединяется.

Теперь давайте соберем все эти компоненты вместе, чтобы увидеть, как плащ-невидимка делает человека прозрачным. На приведенной ниже схеме показано типичное расположение всех различных устройств и элементов оборудования.

Как только человек надевает плащ из световозвращающего материала, происходит следующая последовательность событий:

Человек в плаще кажется невидимым, потому что фоновая сцена отображается на световозвращающем материале. В то же время световые лучи от остального мира могут достигать глаза пользователя, создавая впечатление, что невидимый человек существует в обычно выглядящем мире.

Слова «плащ-невидимка» вызывают образы фантастических приключений, магического шпионажа и потустороннего обмана. Однако фактических применений оптического камуфляжа гораздо меньше. Вы можете забыть прятать свой ромуланский космический корабль или болтаться в общежитии волшебниц, но это не значит, что у этой технологии нет множества жизнеспособных применений.

Например, пилоты , садящие самолет , могут использовать эту технологию, чтобы сделать пол кабины прозрачным. Это позволило бы им видеть взлетно-посадочную полосу и шасси, просто взглянув вниз на пол (который отображал бы вид снаружи фюзеляжа). Точно так же водителям не пришлось бы иметь дело с зеркалами и слепыми зонами. Вместо этого они могли просто «просматривать» всю заднюю часть автомобиля. Эта технология может даже иметь потенциальное применение в области медицины, поскольку хирурги могут использовать оптический камуфляж, чтобы видеть сквозь руки и инструменты для беспрепятственного обзора подлежащих тканей.

Интересно, что одно из возможных применений этой технологии на самом деле заключается в том, чтобы сделать объекты более заметными. Эта концепция называется взаимным телесуществованием и, по сути, включает проецирование внешнего вида удаленного пользователя на робота, покрытого световозвращающим материалом. Скажем, хирург оперировал пациента с помощью роботизированной хирургии с дистанционным управлением. Взаимное телесуществование дало бы людям-врачам, помогающим в процедуре, ощущение, что они работают с другим человеком, а не с машиной.

В настоящее время взаимное телесуществование — это научная фантастика, но ученые продолжают раздвигать границы технологии. Например, повсеместное распространение игр уже становится реальностью. Повсеместные игры расширяют возможности игр в реальном мире, будь то на городских улицах или в отдаленной глуши. Игроки с мобильными дисплеями перемещаются по миру, в то время как датчики собирают информацию об их окружении, включая их местоположение. Эта информация обеспечивает игровой процесс, который меняется в зависимости от того, где находятся пользователи и что они делают.

Не исчезай у нас. У нас есть еще много ссылок, которые вы можете изучить дальше.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок