Naturen är komplex – ofta för komplex för människor att se. Men kiskontrollerade glasögon som låter människor se termiska 3D-bilder och en kamera som kan fånga det inre av kemiska reaktioner i hög hastighet hjälper till att tänja på gränserna för mänsklig perception.

Mänskliga sinnen har redan blivit mycket trimmade av miljontals år av evolution. Våra ögon, till exempel, sitta på framsidan av våra ansikten, låter oss se i tre dimensioner, medan cellerna i vår näthinna är känsliga för olika våglängder av ljus, ger oss färgseende.

Men våra sinnen har gränser. En fartkula, till exempel, färdas för snabbt för att det mänskliga ögat ska kunna se.

"Det finns många saker vi har svårt att uppfatta med de sinnen vi har, sade professor Albrecht Schmidt, en datavetare vid Ludwig Maximilian University i München, Tyskland och ledare för ett projekt som heter AMPLIFY.

"Vårt projekt är fokuserat på att hitta sätt att utöka de traditionella sinnena för att förbättra människans uppfattning med digital teknik."

Kameror, till exempel, kan fånga ljus som är bortom det synliga spektrumet och avslöja rörelser som är för snabba för det mänskliga ögat.

"Frågan är hur vi gör dem intuitiva att använda, " sa prof. Schmidt. Många människor fokuserar på att skapa implantat, han säger, men problemet är att de inte kan tas av.

"Om du har något integrerat i ett par glasögon, som jag bär utan att medvetet inse för det mesta, vi kunde bara förstärka sinnena när det behövdes."

Prototyper

Prof. Schmidt, tillsammans med kollegor vid universitetet i Stuttgart, har byggt ett antal prototyper för att göra just detta.

Det ena är ett par glasögon som utlöser en värmebild när bäraren kisar med ögonen. En kamera inbyggd i ramen producerar bilder med hjälp av synligt ljus, nära infrarött och långt infrarött. Dessa ger bäraren möjligheten att se normala synliga scener, men också tredimensionella värmebilder.

Sensorer som kan upptäcka de svaga elektriska signalerna som produceras av muskler är också inbyggda i ramarna för att fånga upp rörelserna som är förknippade med att ögonen smalnar eller kisar.

Teamet har skapat en version som kan byggas in i hjälmarna som bärs av brandmän, ger dem möjlighet att upptäcka dolda bränder eller hitta människor som är instängda i byggnader.

"Det är väldigt annorlunda från att använda en värmekamera eftersom du aktivt måste titta bort för att se vad som händer, ", sa prof. Schmidt. "På detta sätt kan du ändra hur du ser mycket enkelt, även undermedvetet."

Han föreställer sig en liknande enhet som kanske kan zooma in på en avlägsen scen eller sakta ner handlingen.

"Om jag tittar ut genom fönstret kan jag se några träd, men jag kunde kisa med ögonen för att zooma in och jag skulle se en fågel på en gren, " förklarade professor Schmidt. "Om fågeln lyfter, min kognitiva belastning kan gå upp, som kunde mätas från min hjärnaktivitet, och det skulle säga åt kameran att sakta ner rörelsen.

"När jag sedan tittar tillbaka till min dator från mig, det kan återgå till det normala. Allt detta händer utan att jag behöver tänka så mycket på det och det är den här kontrollen vi har fokuserat på."

Det är teamets övergripande mål att försöka skapa enheter som antingen kan vara omedelbart intuitiva att använda eller som mycket snabbt kan bli andra natur.

En annan prototyp är ett par simglasögon som hjälper bäraren att orientera sig medan huvudet är nedsänkt under vatten. Särskilt simmare i öppet vatten kan ha svårt att simma i rätt riktning eftersom bristen på visuell information kan desorientera dem.

Men genom att utrusta ett par glasögon med en accelerometer och magnetometer, teamet kunde ge navigationssignaler med hjälp av LED-ljus i det perifera seendet.

De har också testat ett annat par glasögon som ger bäraren ögon i bakhuvudet genom att använda kameror för att ge en 360-graders vy. Genom att visa bilder i det perifera synet, det gör det möjligt för bäraren att upptäcka potentiella faror, som när man korsar vägen, och så vänd dig för att titta på dem.

But even when armed with the latest in camera technology, there are also some things that will escape our eyes. Chemical reactions, till exempel, happen in time scales that are too fast to capture with modern high-speed cameras – they can be over in just a couple of trillionths (a millionth of a millionth) of a second.

Dr. Maria Ana Cataluna, a physicist at the Institute of Photonics and Quantum Sciences at Heriot-Watt University, Edinburgh, STORBRITANNIEN, is leading a project aimed at overcoming this. The UPTIME project is attempting to build the fastest camera on the planet.

By exploiting new ultrafast lasers that send a flash of light lasting just between 10-100 femtoseconds (million billionths of a second) and sampling systems that can rapidly capture the photons reflected, they hope to be able to capture events that were previously impossible for us to see.

Capture

"If we can't visualise it, we can't further understand it, " said Dr. Cataluna. "This means that the inner machinery of irreversible process widely present in physics, biology and engineering remain, in essence, unobservable."

Among the events she hopes to be able to capture with the new camera are high speed biochemical reactions, to help reveal their inner workings. It could also allow scientists to capture phase changes, such as the ethereal moment when a liquid turns into a gas.

And it could also help better understand what happens to a material when it is transformed using laser-based manufacturing processes. This new knowledge could be used to help optimise the processes.

"A short burst of light lasting for only one microsecond enables a fast camera to capture a bullet in mid-flight, " explained Dr. Cataluna.

"In a timescale more than six orders of magnitude below this, optical pulses with sub-picosecond or femtosecond durations enable the capture of microscopic ultrafast phenomena. We want to be able to take snapshots of these."

While she is reluctant to say too much about how the technology would work until she has filed a patent for it, she is currently developing the core components that will be necessary to build the camera. She hopes, dock, that the new ultrafast camera will become a reality within three years.

As new technology gives us the ability to perceive in ways that have never been possible before, Prof. Schmidt urges caution. He believes that once we have these devices, the digital and social divides will widen.

"We will get into a space where digital technology will create many more superpowers, and those who have it will have a great advantage.

"We will need to be careful to ensure those who cannot afford the technology are not left behind."