At skubbe grænserne for syn kunne afsløre skjulte verdener

Naturen er kompleks - ofte for kompleks til, at mennesker kan se. Men skelekontrollerede briller, der lader folk se 3-D termiske billeder og et kamera, der kan fange de indre funktioner af højhastighedskemiske reaktioner, er med til at skubbe grænserne for menneskelig perception.

Menneskets sanser er allerede blevet meget tunet af millioner af års evolution. Vores øjne, for eksempel, sidde foran vores ansigter, giver os mulighed for at se i tre dimensioner, mens cellerne i vores nethinde er følsomme over for forskellige bølgelængder af lys, giver os farvesyn.

Men vores sanser har grænser. En fartkugle, for eksempel, rejser for hurtigt til, at det menneskelige øje kan se.

"Der er mange ting, vi har svært ved at opfatte med de sanser, vi har, " sagde professor Albrecht Schmidt, en datalog ved Ludwig Maximilian Universitetet i München, Tyskland og leder af et projekt kaldet AMPLIFY.

"Vores projekt er fokuseret på at finde måder at udvide de traditionelle sanser for at forbedre menneskelig opfattelse med digitale teknologier."

Kameraer, for eksempel, kan fange lys, der er uden for det synlige spektrum og afsløre bevægelser, der er for hurtige for det menneskelige øje.

"Spørgsmålet er, hvordan vi gør dem intuitive at bruge, " sagde prof. Schmidt. Mange mennesker fokuserer på at skabe implantater, han siger, men problemet er, at de ikke kan tages af.

"Hvis du har noget integreret i et par briller, som jeg bærer uden at være bevidst om det det meste af tiden, vi kunne kun forstærke sanserne, når det var nødvendigt."

Prototyper

Prof. Schmidt, sammen med kolleger ved universitetet i Stuttgart, har bygget en række prototyper til netop dette.

Den ene er et par briller, der udløser et termisk billede, når brugeren kniber øjnene sammen. Et kamera indbygget i rammen producerer billeder ved hjælp af synligt lys, nær infrarød og fjern infrarød. Disse giver brugeren mulighed for at se normale synlige scener, men også tredimensionelle termiske billeder.

Sensorer, der er i stand til at registrere de svage elektriske signaler, der produceres af muskler, er også indbygget i rammerne for at opfange de bevægelser, der er forbundet med, at øjnene kniber sammen eller skeler.

Holdet har skabt en version, der kan indbygges i hjelmene, der bæres af brandmænd, giver dem mulighed for at opdage skjulte brande eller finde folk, der er fanget inde i bygninger.

"Det er meget anderledes end at bruge et termisk kamera, da du aktivt skal kigge væk for at se, hvad der foregår, " sagde prof. Schmidt. "På denne måde kan du nemt ændre den måde, du ser, endda ubevidst."

Han forestiller sig en lignende enhed, der måske kan zoome ind på en fjern scene eller bremse handlingen.

"Hvis jeg kigger ud af vinduet, kan jeg se nogle træer, men jeg kunne knibe øjnene sammen for at zoome ind, og jeg ville se en fugl på en gren, " forklarede prof. Schmidt. "Hvis fuglen letter, min kognitive belastning kan stige, som kunne måles ud fra min hjerneaktivitet, og det ville fortælle kameraet at bremse bevægelsen.

"Så når jeg ser tilbage til min computer fra mig, det kunne vende tilbage til det normale. Alt dette sker, uden at jeg skal tænke meget over det, og det er denne kontrol, vi har fokuseret på."

Det er teamets overordnede mål at forsøge at skabe enheder, der enten kan være umiddelbart intuitive at bruge eller meget hurtigt kan blive en anden natur.

En anden prototype er et par svømmebriller, der hjælper brugeren med at orientere sig, mens hovedet er nedsænket under vand. Især svømmere i åbent vand kan have svært ved at svømme i den rigtige retning, da manglen på visuel information kan desorientere dem.

Men ved at montere et par beskyttelsesbriller med et accelerometer og magnetometer, holdet var i stand til at give navigationssignaler ved hjælp af LED-lys i det perifere syn.

De har også testet et andet par briller, der giver brugeren øjne i baghovedet ved at bruge kameraer til at give en 360-graders udsigt. Ved at vise billeder i det perifere syn, det gør det muligt for bæreren at opdage potentielle farer, som når man krydser vejen, og så vend dig for at se på dem.

But even when armed with the latest in camera technology, there are also some things that will escape our eyes. Chemical reactions, for eksempel, 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, imidlertid, 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."