• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Hur osynlighetsmantlar fungerar
    Tänk om du bara kunde slänga på dig en kappa och försvinna ur sikte? Foto med tillstånd © Tachi Laboratory, universitetet i Tokyo

    Erkänn. Du skulle gärna äga en osynlighetskappa. Uttala en pinsam faux pas på en fest? Släng bara på dig ditt magiska plagg och försvinna från dina snubbliga snootiga blickar. Vill du höra vad din chef verkligen säger om dig? Promenera direkt in på hans eller hennes kontor och hämta varorna.

    Sådana fantastiska modeaccessoarer har blivit löjligt standard i världen av science fiction och fantasy. Alla, från pojkguider till intergalaktiska safarijägare, har minst en osynlig blus i garderoben, men hur är det med oss ​​stackars saftar i den verkliga världen?

    Väl, Mugglar, vetenskapen har några goda nyheter för dig:Osynlighetskappor är en verklighet. Tekniken är långt ifrån perfekt, men om du kommer in i vår högteknologiska butik med försvinnande kläder, vi guidar dig genom dina osynliga kappalternativ.

    Först ut, vi kommer att titta på några underbara kol -nanorörsmodeller - färska från UTD NanoTech Institute hösten 2011 -kollektionen. Denna nya teknik är inspirerad av samma naturfenomen som är ansvariga för ökenbild. Värms upp genom elektrisk stimulering, den skarpa temperaturgradienten mellan kappan och det omgivande området orsakar en brant temperaturgradient som böjer ljus bort från bäraren. Fångsten:Bärare måste älska vatten och kunna passa in i en petriskål.

    Eller kanske du föredrar något tillverkat av metamaterial. Dessa små strukturer är mindre än ljusets våglängd. Om den är korrekt konstruerad, de leder ljusstrålar runt ett föremål - ungefär som en sten som avleder vatten i en bäck. Tills vidare, dock, tekniken fungerar bara i två dimensioner och finns bara i ultrapetite -storleken på 10 mikrometer över.

    Om du är mer intresserad av retro mode, Det finns också den optiska kamouflagetekniken som utvecklats av forskare vid Tokyos universitet. Detta tillvägagångssätt fungerar på samma principer för den blå skärmen som används av TV -väderprognoser och Hollywood -filmare. Om du vill att folk ska se igenom dig, varför inte bara filma vad som ligger bakom dig och projicera det på din kropp? Om du reser med ett följe av videografer, detta kan vara kappan för dig.

    Redo att prova några av dessa mode för storlek?

    Innehåll
    1. Mirage -effekten:kolnanorör
    2. Metamaterial:Böjande ljusvågor
    3. Metamaterial:Osynliga tankar
    4. Optisk kamouflage:förändrad verklighet
    5. Optisk kamouflage:osynliga kappkomponenter
    6. Optisk kamouflage:Fler osynliga kappkomponenter
    7. Optisk kamouflage:Det kompletta osynlighetssystemet
    8. Optisk kamouflage:applikationer för osynlighet i verkligheten

    Mirage -effekten:kolnanorör

    Här ser vi multi-walled carbon nanotube (MWCT) växla från inaktiv till aktiv, försvinner ur sikte i processen. Foto med tillstånd Aliev A et al. 2011 Nanoteknik

    Först, låt oss pröva denna osynliga kappa av kolnanorör för storlek och uppleva mirage -effektens underverk.

    Du är nog mest bekant med hägringar från berättelser om ökenvandrare som skymtar en avlägsen oas, bara för att upptäcka att det bara var en hägring - ingen mirakulös sjö med dricksvatten, bara mer het sand.

    Den heta sanden är nyckeln till hägringseffekt (eller fototermisk avböjning ), som den styva temperaturskillnaden mellan sand och luftböjningar, eller bryts, ljusstrålar. Brytningen svänger ljusstrålarna upp mot betraktarens ögon istället för att studsa dem från ytan. I det klassiska exemplet på ökenhägringen, denna effekt gör att en "pöl" av himlen dyker upp på marken, som den logiska (och törstiga) hjärnan tolkar som en vattenpöl. Du har förmodligen sett liknande effekter på heta vägbanor, med avlägsna sträckor av vägen som verkar lysa av poolat vatten.

    Under 2011, forskare vid University of Texas vid Dallas NanoTech Institute lyckades dra nytta av denna effekt. De använde ark kolnanorör , kolfilter lindade in i cylindriska rör [källa:Aliev et al.]. Varje sida är knappt lika tjock som en enda molekyl, men är lika stark som stål eftersom kolatomerna i varje rör är otroligt täta. Dessa ark är också utmärkta värmeledare, vilket gör dem till perfekta hägringskapare.

    I experimentet, forskarna värmde arken elektriskt, som överförde värmen till det omgivande området (en petriskål med vatten). Som du kan se på fotografierna, detta fick ljus att böja sig bort från kolnanorörsarket, effektivt dölja något bakom det med osynlighet.

    Naturligtvis, det finns inte många ställen du vill bära en liten, superuppvärmd outfit som måste förbli nedsänkt i vatten, men experimentet visar potentialen för sådana material. I tid, forskningen kan möjliggöra inte bara osynlighetskappor utan även andra ljusböjningsanordningar-alla med en praktisk på/av-omkopplare.

    Metamaterial:Böjande ljusvågor

    Nästa, låt oss glida in i en osynlighetskappa gjord av metamaterial.

    Metamaterial erbjuda en mer övertygande vision om osynlighetsteknik, utan behov av flera projektorer och kameror. Först konceptualiserad av den ryska fysikern Victor Veselago 1967, dessa små, artificiella strukturer är mindre än ljusets våglängd (de måste vara för att avleda dem) och uppvisar negativa elektromagnetiska egenskaper som påverkar hur ett objekt interagerar med elektromagnetiska fält.

    Naturmaterial har alla en positivt brytningsindex , och detta dikterar hur ljusvågor interagerar med dem. Brytning härrör delvis från kemisk sammansättning, men den inre strukturen spelar en ännu viktigare roll. Om vi ​​ändrar strukturen på ett material i tillräckligt liten skala, vi kan ändra hur de bryter inkommande vågor - till och med tvinga en övergång från positiv till negativ brytning.

    Kom ihåg, bilder når oss via ljusvågor. Ljud når oss via ljudvågor. Om du kan kanalisera dessa vågor runt ett objekt, du kan effektivt dölja det från syn eller ljud. Tänk dig en liten bäck. Om du stoppar en tepåse full med rött färgämne i det rinnande vattnet, dess närvaro skulle vara uppenbar nedströms, tack vare hur det förändrade vattenfärgen, smak och lukt. Men tänk om du kunde avleda vattnet runt tepåsen?

    Under 2006, Duke Universitys David Smith tog en tidigare teori från den engelska teoretiska fysikern John Pendry och använde den för att skapa ett metamaterial som kan förvränga flödet av mikrovågor. Smiths metamaterial består av koncentriska ringar som innehåller elektroniska mikrovågsförvrängare. När den är aktiverad, de styr frekvensspecifika mikrovågor runt materialets centrala del.

    Uppenbarligen ser människor inte i mikrovågsspektrumet, men tekniken visade att energivågor kunde dirigeras runt ett objekt. Tänk dig en kappa som kan avleda en tredje klassars halmeldade spitboll, flytta den runt bäraren och låt den fortsätta på andra sidan som om dess bana hade tagit den, obestridlig, rakt igenom personen i kappan. Nu hur mycket mer av en sträcka skulle det vara att avleda en sten? En kula?

    Smiths metamaterial bevisade metoden. Receptet till osynlighet låg i att anpassa det till olika vågor.

    Mer om metamaterial nästa.

    Den minsta gränsen

    Metamaterial, en skapelse av vetenskap, förekommer inte naturligt. För att skapa de minutstrukturer som krävs för att omdirigera elektromagnetiska vågor, forskare använder nanoteknik. Läs hur nanoteknik fungerar för att lära dig allt om världens minsta maskiner.

    Metamaterial:Osynliga tankar

    Denna optiska bild visar metamaterial från University of Maryland i aktion, styrljus vågar bort från varje central cirkel. Pilarna anger ljusvågornas riktning. Bild med tillstånd av University of Maryland Department of Electrical and Computer Engineering

    Under 2007, University of Marylands Igor Smolyaninov ledde sitt team ännu längre ner på vägen mot osynlighet. Införlivade tidigare teorier föreslagna av Purdue Universitys Vladimir Shaleav, Smolyaninov konstruerade ett metamaterial som kunde böja synligt ljus runt ett föremål.

    Bara 10 mikrometer bred, Purdue -kappan använder koncentriska guldringar injicerade med polariserat cyanljus. Dessa ringar styr inkommande ljusvågor bort från det dolda föremålet, effektivt gör det osynligt. Kinesiska fysiker vid Wuhan University har tagit detta koncept till hörbara områden, föreslår skapandet av en akustisk osynlighetskappa som kan avleda ljudvågor runt ett föremål.

    För närvarande, metamaterial osynlighet kappor är något begränsade. De är inte bara små; de är begränsade till två dimensioner-knappast vad du behöver för att försvinna i landskapet i en 3D-krigszon. Plus, den resulterande kappan skulle väga mer än ens en fullvuxen trollkarl kunde hoppas släpa runt. Som ett resultat, tekniken kan vara bättre lämpad för applikationer som att gömma stationära byggnader eller fordon, som en tank.

    Optisk kamouflage:förändrad verklighet

    Optisk kamouflageteknik gör dig inte osynlig för flerögda Beholder-monster-eller till och med för herrelösa katter och ekorrar. Foto med tillstånd © Tachi Laboratory, universitetet i Tokyo

    Klar att glida in i några optiska kamouflagemodeller från gamla skolan?

    Denna teknik drar nytta av något som kallas augmented-reality-teknik-en typ av teknik som först pionjärt på 1960-talet av Ivan Sutherland och hans studenter vid Harvard University och University of Utah.

    Optisk kamouflage ger en liknande upplevelse som Harry Potters osynlighetskappa, men att använda det kräver ett lite komplicerat arrangemang. Först, personen som vill vara osynlig (låt oss kalla honom Harry) bär ett plagg som liknar en regnrock med huva. Plagget är tillverkat av ett speciellt material som vi kommer att undersöka närmare på ett ögonblick.

    Nästa, en observatör (låt oss kalla honom professor Snape) står inför Harry på en specifik plats. På den platsen, istället för att se Harry ha på sig en regnrock med huva, Snape ser rakt igenom kappan, att få Harry att se ut som osynlig. Fotot ovan visar vad Snape skulle se. Och om Snape klev åt sidan och betraktade Harry från en något annan plats? Varför, han skulle helt enkelt se pojkguiden bära ett silverplagg. Scowls och kvarhållanden skulle sannolikt följa. Tur för Harry, hans fiktiva kappa ger 360-graders skydd.

    Optisk kamouflage fungerar inte genom magi. Det fungerar genom att dra nytta av något som kallas augmented-reality-teknik - en typ av teknik som först pionjärer på 1960-talet av Ivan Sutherland och hans studenter vid Harvard University och University of Utah. Du kan läsa mer om augmented reality i How Augmented Reality Works, men en snabb sammanfattning kommer att vara till hjälp här.

    Augmented-reality-system lägger till datorgenererad information till en användares sinnesuppfattningar. Tänka, till exempel, att du går ner på en stadsgata. När du tittar på platser längs vägen, ytterligare information verkar förbättra och berika din normala syn. Kanske är det dagens specialerbjudanden på en restaurang eller visningstiderna på en teater eller busschemat på stationen. Det som är kritiskt att förstå är att augmented reality inte är samma sak som virtual reality. Medan virtual reality syftar till att ersätta världen, augmented reality försöker bara komplettera den med ytterligare, användbart innehåll. Se det som en head-up display (HUD) för vardagen.

    De flesta augmented-reality-system kräver att en användare tittar igenom en speciell visningsapparat för att se en verklig scen förstärkt med syntetiserad grafik. De kräver också en kraftfull dator. Optisk kamouflage kräver också dessa saker, men det kräver också flera andra komponenter. Här är allt som behövs för att en person ska framstå som osynlig:

    • ett plagg tillverkat av högreflekterande material
    • en digital videokamera
    • en dator
    • en projektor
    • en speciell, halvsilverad spegel som kallas en kombinationsruta

    På nästa sida, vi kommer att titta närmare på var och en av dessa komponenter.

    Optisk kamouflage:osynliga kappkomponenter

    Optisk kamouflage fungerar genom att dra nytta av något som kallas augmented-reality-teknik. Lär dig hur det fungerar och ta reda på vad som ingår i kappan.

    Okej, så du har din videokamera, dator, projektor, kombinerare och underbar reflekterande regnrock. Hur förvandlar augmented reality-teknik denna udda inköpslista till ett recept för osynlighet?

    Först, Låt oss titta närmare på regnrock:Den är gjord av retroreflekterande material. Detta högteknologiska tyg är täckt med tusentals och tusentals små pärlor. När ljuset slår mot en av dessa pärlor, ljusstrålarna studsar tillbaka exakt i samma riktning från vilken de kom.

    För att förstå varför detta är unikt, titta på hur ljuset reflekterar från andra typer av ytor. En grov yta skapar en diffus reflektion eftersom de infallande (inkommande) ljusstrålarna sprids i många olika riktningar. En perfekt slät yta, som en spegel, skapar det som kallas a spekulär reflektion - en reflektion där infallande ljusstrålar och reflekterade ljusstrålar bildar exakt samma vinkel med spegelytan.

    I reflektion, glaspärlorna fungerar som prismor, böja ljusstrålarna genom brytning. Detta får de reflekterade ljusstrålarna att resa tillbaka längs samma väg som de infallande ljusstrålarna. Resultatet:En observatör belägen vid ljuskällan tar emot mer av det reflekterade ljuset och ser därför en ljusare reflektion.

    Retroreflekterande material är faktiskt ganska vanliga. Vägskyltar, vägmarkörer och cykelreflektorer utnyttjar alla retroreflektion för att vara mer synliga för personer som kör på natten. Filmskärmarna som finns i de flesta moderna kommersiella teatrar drar också nytta av detta material eftersom det möjliggör hög glans under mörka förhållanden. I optisk kamouflage, användningen av retroreflekterande material är avgörande eftersom det kan ses på långt håll och utanför i starkt solljus-två krav för illusionen av osynlighet.

    Optisk kamouflage:Fler osynliga kappkomponenter

    Som du kan se på den här bilden, upplevelsen liknar att gå direkt framför en filmprojektionsskärm, bara med en riktig bakgrund. AP Foto/Shizuo Kambayashi

    För resten av installationen, videokameran måste placeras bakom motivet för att fånga bakgrunden. Datorn tar den tagna bilden från videokameran, beräknar lämpligt perspektiv och omvandlar den tagna bilden till den bild som kommer att projiceras på det reflekterande materialet.

    Projektorn lyser sedan den modifierade bilden på plagget, genom att lysa en ljusstråle genom en öppning som styrs av en enhet som kallas en irismembran . Detta membran är gjort av tunt, ogenomskinliga tallrikar, och vridning av en ring ändrar diametern på den centrala öppningen. För att optisk kamouflage ska fungera korrekt, denna öppning måste vara lika stor som ett hål. Varför? Detta säkerställer ett större skärpedjup så att skärmen (i detta fall kappan) kan placeras valfritt avstånd från projektorn.

    Till sist, det övergripande systemet kräver en speciell spegel för att både reflektera den projicerade bilden mot kappan och för att låta ljusstrålar som studsar av kappan återvända till användarens öga. Denna speciella spegel kallas a stråldelare , eller a kombinerare -en halvsilverad spegel som både reflekterar ljus (den försilvrade halvan) och överför ljus (den transparenta halvan).

    Om den är korrekt placerad framför användarens öga, kombineraren gör att användaren kan uppfatta både bilden som förstärks av datorn och ljus från omgivningen. Detta är kritiskt eftersom den datorgenererade bilden och den verkliga världen måste integreras fullt ut för att illusionen av osynlighet ska verka realistisk. Användaren måste titta genom en titthål i den här spegeln för att se den förstärkta verkligheten.

    På nästa sida, vi ska titta på hur hela detta system kommer ihop.

    Optisk kamouflage:Det kompletta osynlighetssystemet

    Ett sätt att få en person att se transparent ut

    Låt oss nu sätta ihop alla dessa komponenter för att se hur osynlighetskappan ser ut att göra en person transparent. Diagrammet nedan visar det typiska arrangemanget för alla olika enheter och utrustningar.

    När en person tar på sig kappan gjord med retroreflekterande material, här är händelseförloppet:

    1. En digital videokamera fångar scenen bakom personen som bär kappan.
    2. Datorn bearbetar den tagna bilden och gör beräkningarna nödvändiga för att justera stillbilden eller videon så att den ser realistisk ut när den projiceras.
    3. Projektorn tar emot den förbättrade bilden från datorn och lyser bilden genom en öppning i en hålstorlek på kombinatorn.
    4. Spegelns försilvrade hälft, som är helt reflekterande, studsar den projicerade bilden mot personen som bär kappan.
    5. Manteln fungerar som en filmduk, reflekterande ljus direkt tillbaka till källan, som i detta fall är spegeln.
    6. Ljusstrålar som studsar av kappan passerar genom den transparenta delen av spegeln och faller på användarens ögon. Kom ihåg att ljusstrålarna som studsar av kappan innehåller bilden av scenen som finns bakom personen som bär kappan.

    Personen som bär kappan verkar osynlig eftersom bakgrundsscenen visas på det reflekterande materialet. På samma gång, ljusstrålar från resten av världen får nå användarens öga, få det att verka som om en osynlig person existerar i en annars normalt utseende värld.

    Optisk kamouflage:applikationer för osynlighet i verkligheten

    Medan en osynlighetskappa är en intressant tillämpning av optisk kamouflage, det är nog inte det mest användbara. Lär dig mer om några verkliga applikationer.

    Orden "osynlighetskappa" tenderar att kalla bilder av fantastiska äventyr, magiskt spioneri och bedrägeri från andra världen. De faktiska applikationerna för optisk kamouflage, dock, är mycket mindre där ute. Du kan glömma att gömma ditt romulanska rymdskepp eller hänga i damguidernas sovsal, men det betyder inte att det inte finns ett antal livskraftiga användningsområden för tekniken.

    Till exempel, piloter som landar ett plan kan använda denna teknik för att göra cockpitgolv transparenta. Detta skulle göra det möjligt för dem att se landningsbanan och landningsstället genom att blicka ner mot golvet (vilket skulle visa utsikten från flygkroppens utsida). förare skulle inte behöva hantera speglar och blinda fläckar. Istället, de kunde bara "titta igenom" hela baksidan av fordonet. Tekniken har till och med potentiella tillämpningar inom det medicinska området, som kirurger kunde använda optisk kamouflage för att se igenom sina händer och instrument för en fri sikt över den underliggande vävnaden.

    Intressant nog, en möjlig tillämpning av denna teknik kretsar faktiskt kring att göra föremål mer synliga. Konceptet kallas ömsesidig telexistens och innebär i huvudsak att projicera en fjärranvändares utseende på en robot belagd i retroreflekterande material. Säg att en kirurg opererade en patient via fjärrkontroll robotoperation. Ömsesidig telexistens skulle ge de mänskliga läkarna som hjälper förfarandet uppfattningen att de arbetar med en annan människa istället för en maskin.

    Just nu, ömsesidig telexistens är science fiction, men forskare fortsätter att skjuta gränserna för tekniken. Till exempel, genomgripande spel börjar redan bli verklighet. Genomgående spel utökar spelupplevelser ut i den verkliga världen, vare sig på stadens gator eller i avlägsna vildmarker. Spelare med mobila skärmar rör sig genom världen medan sensorer fångar information om sin miljö, inklusive deras plats. Denna information ger en spelupplevelse som ändras beroende på var användarna befinner sig och vad de gör.

    Försvinner inte över oss. Vi har många fler länkar som du kan utforska härnäst.

    Mycket mer information

    relaterade artiklar

    • Hur Harry Potter Wand fungerar
    • Hur Batsuit fungerar
    • Hur Augmented Reality kommer att fungera
    • Testar armén en osynlig tank?
    • Hur kan du göra vatten osynligt?
    • Superhjältequiz
    • Hur 3D-glasögon fungerar
    • Hur ljus fungerar
    • Hur nanoteknik fungerar
    • Ljud

    Fler fantastiska länkar

    • Augmented Reality Page - Jim Vallino, Institutionen för programvaruteknik, Rochester Institute of Technology
    • Tachi -laboratorium vid University of Tokyo
    • Elektromagnetisk tillslutning i det synliga frekvensområdet (PDF)

    Källor

    • Adler, Robert. "Akustiska" superlens "kan innebära finare ultraljudsskanningar." Ny forskare. Januari 2008. (13 oktober, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn13156-acoustic-superlens-could-mean-finer-ultrasound-scans.html
    • Aliev, Ali E. et al. "Mirage -effekt från termiskt modulerade transparenta kolnanorörsark." Nanoteknik 22. 2011. (13 oktober, 2011) http://iopscience.iop.org/0957-4484/22/43/435704/pdf/0957-4484_22_43_435704.pdf
    • Barras, Colin. "Guldringar skapar den första sanna osynlighetsmanteln." 2 oktober 2007. (13 oktober, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn12722-gold-rings-create-first-true-invisibility-cloak.html
    • BBC Nyheter. "Uppfinnaren planerar" osynliga väggar "." BBC Nyheter. 14 juni kl. 2004. http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/3791795.stm
    • Mild, Eric. "Osynlighetskappan närmare verkligheten än någonsin." Discovery News. 15 januari 2009. (13 oktober, 2009) http://dsc.discovery.com/news/2009/01/15/invisibility-cloak.html
    • Brun, Markera. "Titta på:'Invisibility Cloak' använder Mirages för att få objekt att försvinna." Trådbunden. 4 oktober 2011. (13 oktober, 2011) http://www.wired.com/dangerroom/2011/10/invisibility-cloak-mirage/
    • Feiner, Steven K. "Augmented reality:Ett nytt sätt att se, "Scientific American. April 2002.
    • Inami, Masahiko et al. "Visuo-Haptic-skärm med huvudmonterad projektor." Http://projects.star.t.u-tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/oc.html
    • Inami, Masahiko et al. "Optisk kamouflage med hjälp av retroreflekterande projektionsteknik, "Proceedings of the Second IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 03). Http://projects.star.t.u-tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/oc.html
    • "'Osynlighetskläder' kan bryta ljudbarriärer." Duke Engineering. 9 januari 2008. (13 oktober, 2009) http://www.pratt.duke.edu/news/?id=1193
    • McCarthy, Wil. "Att vara osynlig." Trådbunden. November 2008. (13 oktober, 2009) http://www.wired.com/wired/archive/11.08/pwr_invisible_pr.html
    • Mullins, Precis inkommet. "Arbetande osynlighetskappa skapades äntligen." 19 oktober, 2006. (13 oktober, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn10334-working-invisibility-cloak-created-at-last.html
    • Pendry, John. "Metamaterial." Ny forskare. (21 oktober, 2011) http://www.newscientist.com/data/doc/article/dn19554/instant_expert_7_-_metamaterials.pdf
    • Smolyaninov, Igor et al. "Elektromagnetisk tillslutning i det synliga frekvensområdet." University of Maryland Institutionen för el- och datateknik. 10 december 2007. (13 oktober, 2009) http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.2862.pdf
    • Tachi, Susumu. "Telexistens och retroreflekterande projektionsteknik (RPT), "Proceedings of the 5th Virtual Reality International Conference (VRIC2003), s. 69/1-69/9.http://projects.star.t.u-tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/oc.html
    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com