Hvordan usynlighedskapper fungerer

Indrøm det. Du ville elske at eje en usynlighedskappe. Udtale en pinlig faux pas ved en fest? Bare smid din magiske beklædningsgenstand på og forsvinde fra dine andre festgængers snooty blik. Vil du høre, hvad din chef virkelig siger om dig? Slentre lige ind på hans eller hendes kontor og få varerne.

Sådanne fantastiske modetilbehør er blevet latterligt standard inden for science fiction og fantasy. Alle sammen, fra drengetroldere til intergalaktiske safarijægere, har mindst en usynlig bluse i deres garderobe, men hvad med os stakkelsapper i den virkelige verden?

Godt, Muggler, videnskaben har nogle gode nyheder til dig:Usynlighedskapper er en realitet. Teknologien er langt fra perfekt, men hvis du træder ind i vores højteknologiske butik med forsvindende beklædning, vi guider dig gennem dine usynlige kappe muligheder.

Først op, vi vil se på nogle vidunderlige carbon nanorøremodeller - friske fra UTD NanoTech Institute efteråret 2011 -kollektionen. Denne nye teknologi er inspireret af de samme naturfænomener, der er ansvarlige for ørkenen mirages. Opvarmet via elektrisk stimulering, den skarpe temperaturgradient mellem kappen og det omkringliggende område forårsager en stejl temperaturgradient, der bøjer lys væk fra brugeren. Fangsten:Bærere skal elske vand og kunne passe ind i en petriskål.

Eller måske foretrækker du noget lavet af metamaterialer. Disse små strukturer er mindre end lysets bølgelængde. Hvis den er korrekt konstrueret, de leder lysstråler rundt om et objekt - omtrent som en sten, der afleder vand i en å. For nu, imidlertid, teknologien fungerer kun i to dimensioner og findes kun i ultrapetite -størrelsen på 10 mikrometer på tværs.

Hvis du er mere til retro -mode, der er også den optiske camouflage -teknologi udviklet af forskere ved University of Tokyo. Denne tilgang fungerer på de samme principper for den blå skærm, der bruges af tv -vejrudsigter og Hollywood -filmskabere. Hvis du vil have folk til at se igennem dig, hvorfor så ikke bare filme, hvad der er bag dig og projicere det på din krop? Hvis du rejser med et følge af videografer, dette kan være kappen til dig.

Klar til at prøve nogle af disse mode til størrelse?

1. Mirage -effekten:Carbon Nanorør
2. Metamaterialer:Bøjning af lysbølger
3. Metamaterialer:Usynlige tanke
4. Optisk camouflage:Ændret virkelighed
5. Optisk camouflage:Usynlige kappe -komponenter
6. Optisk camouflage:Flere komponenter til usynlig kappe
7. Optisk camouflage:Det komplette usynlighedssystem
8. Optisk camouflage:Virkelige usynlighedsapplikationer

Mirage -effekten:Carbon Nanorør

Først, lad os prøve denne carbon nanorør usynlige kappe på for størrelse og opleve miraklerne ved mirage -effekten.

Du er nok mest bekendt med luftspejlinger fra historier om ørkenvandrere, der får et glimt af en fjern oase, kun for at opdage, at det kun var en luftspejling - ingen mirakuløs sø med drikkevand, kun mere varmt sand.

Det varme sand er nøglen til mirage effekt (eller fototermisk afbøjning ), som den stive temperaturforskel mellem sand og luftbøjninger, eller bryder, lysstråler. Brydningen svinger lysstrålerne op mod beskuerens øjne i stedet for at hoppe dem af overfladen. I det klassiske eksempel på ørkenen mirage, denne effekt får en "vandpyt" af himmel til at dukke op på jorden, som den logiske (og tørstige) hjerne fortolker som en vandpøl. Du har sikkert set lignende virkninger på varme vejbaner, med fjerne strækninger af vejen, der ser ud til at lyse af poolet vand.

I 2011, det lykkedes forskere ved University of Texas ved Dallas NanoTech Institute at udnytte denne effekt. De brugte ark af carbon nanorør , plader kulstof pakket ind i cylindriske rør [kilde:Aliev et al.]. Hver side er knap så tyk som et enkelt molekyle, alligevel er den så stærk som stål, fordi kulstofatomerne i hvert rør er forbundet utrolig tæt. Disse plader er også fremragende varmeledere, gør dem til ideelle mirage-producenter.

I forsøget, forskerne opvarmede pladerne elektrisk, som overførte varmen til det omkringliggende område (en petriskål med vand). Som du kan se på fotografierne, dette fik lys til at bøje væk fra carbon nanorørarket, effektivt skjuler noget bag det med usynlighed.

Det er overflødigt at sige, der er ikke mange steder, du gerne vil have en lillebitte, superopvarmet outfit, der skal forblive nedsænket i vand, men eksperimentet demonstrerer potentialet for sådanne materialer. I tide, forskningen muligvis ikke kun muliggør usynlige kapper, men også andre lysbøjningsanordninger-alle sammen med en praktisk tænd/sluk-kontakt.

Metamaterialer:Bøjning af lysbølger

Næste, lad os glide ind i en usynlighedskappe lavet af metamaterialer.

Metamaterialer tilbyde en mere overbevisende vision om usynlighedsteknologi, uden behov for flere projektorer og kameraer. Først konceptualiseret af den russiske fysiker Victor Veselago i 1967, disse små, kunstige strukturer er mindre end lysets bølgelængde (de skal være for at aflede dem) og udviser negative elektromagnetiske egenskaber, der påvirker, hvordan et objekt interagerer med elektromagnetiske felter.

Naturmaterialer har alle en positivt brydningsindeks , og dette dikterer, hvordan lysbølger interagerer med dem. Brydning stammer delvis fra kemisk sammensætning, men den interne struktur spiller en endnu vigtigere rolle. Hvis vi ændrer strukturen af ​​et materiale i en lille nok skala, vi kan ændre måden, hvorpå de bryder indgående bølger - endda tvinger et skifte fra positiv til negativ brydning.

Husk, billeder når os via lysbølger. Lyde når os via lydbølger. Hvis du kan kanalisere disse bølger rundt om et objekt, du kan effektivt skjule det for visning eller lyd. Forestil dig en lille strøm. Hvis du stikker en tepose fuld af rødt farvestof i det strømmende vand, dets tilstedeværelse ville være tydelig nedstrøms, takket være den måde, det ændrede vandets nuance på, smag og lugt. Men hvad nu hvis du kunne aflede vandet omkring teposen?

I 2006, Duke University's David Smith tog en tidligere teori fra den engelske teoretiske fysiker John Pendry og brugte den til at skabe et metamateriale, der kunne forvrænge mikrobølgestrømmen. Smiths metamateriale består af koncentriske ringe, der indeholder elektroniske mikrobølgedistributører. Når den er aktiveret, de styrer frekvensspecifikke mikrobølger rundt om den centrale del af materialet.

Naturligvis ser mennesker ikke i mikrobølgespektret, men teknologien demonstrerede, at energibølger kunne dirigeres rundt om et objekt. Forestil dig en kappe, der kan aflede en tredje klassers halmfyrede spidball, flyt den rundt på brugeren, og lad den fortsætte på den anden side, som om dens bane havde taget den, ubestridt, lige igennem personen i kappen. Nu hvor meget mere af en strækning ville det være at aflede en sten? En kugle?

Smiths metamaterialer beviste metoden. Opskriften til usynlighed lå i at tilpasse den til forskellige bølger.

Mere om metamaterialer næste.

Metamaterialer, en skabelse af videnskab, forekommer ikke naturligt. For at skabe de minutstrukturer, der kræves for at omdirigere elektromagnetiske bølger, forskere anvender nanoteknologi. Læs hvordan nanoteknologi fungerer for at lære alt om verdens mindste maskiner.

Metamaterialer:Usynlige tanke

I 2007, University of Marylands Igor Smolyaninov førte sit team endnu længere ned ad vejen til usynlighed. Indarbejdelse af tidligere teorier foreslået af Purdue Universitets Vladimir Shaleav, Smolyaninov konstruerede et metamateriale, der kunne bøje synligt lys omkring et objekt.

Kun 10 mikrometer bred, Purdue -kappen bruger koncentriske guldringe injiceret med polariseret cyanlys. Disse ringe styrer indkommende lysbølger væk fra det skjulte objekt, effektivt gør det usynligt. Kinesiske fysikere ved Wuhan University har taget dette koncept med i det hørbare område, foreslår oprettelse af en akustisk usynlighedskappe, der er i stand til at aflede lydbølger omkring et objekt.

Indtil videre, metamateriale usynlighedskapper er noget begrænsede. De er ikke kun små; de er begrænset til to dimensioner-næppe hvad du skal bruge for at forsvinde ind i landskabet i en 3D-krigszone. Plus, den resulterende kappe ville veje mere end selv en fuldvoksen troldmand kunne håbe at slæbe rundt. Som resultat, teknologien er måske bedre egnet til applikationer såsom at skjule stationære bygninger eller køretøjer, såsom en tank.

Optisk camouflage:Ændret virkelighed

Klar til at glide ind i nogle optiske camouflage-mode på oldskolen?

Denne teknologi drager fordel af noget, der kaldes augmented-reality-teknologi-en type teknologi, der først blev banebrydende i 1960'erne af Ivan Sutherland og hans studerende ved Harvard University og University of Utah.

Optisk camouflage leverer en lignende oplevelse til Harry Potters usynlighedskappe, men brug af det kræver et lidt kompliceret arrangement. Først, den person, der vil være usynlig (lad os kalde ham Harry) ifører sig en beklædningsgenstand, der ligner en regnfrakke med hætte. Beklædningen er lavet af et specielt materiale, som vi vil undersøge nærmere om et øjeblik.

Næste, en observatør (lad os kalde ham professor Snape) står foran Harry på et bestemt sted. På det sted, i stedet for at se Harry iført en regnfrakke med hætte, Snape ser lige igennem kappen, får Harry til at se ud til at være usynlig. Ovenstående fotografi viser dig, hvad Snape ville se. Og hvis Snape trådte til side og så Harry fra et lidt andet sted? Hvorfor, han ville simpelthen se drengen troldmand iført en sølvbeklædning. Hænder og tilbageholdelser vil sandsynligvis følge. Heldig for Harry, hans fiktive kappe giver 360-graders beskyttelse.

Optisk camouflage fungerer ikke ved hjælp af magi. Det virker ved at udnytte noget, der hedder augmented-reality teknologi - en type teknologi, der først blev pioner i 1960'erne af Ivan Sutherland og hans studerende ved Harvard University og University of Utah. Du kan læse mere om augmented reality i How Augmented Reality Works, men en hurtig opsummering vil være nyttig her.

Augmented-reality-systemer tilføjer computergenereret information til en brugers sanseopfattelser. Forestille, for eksempel, at du går ned ad en bygade. Mens du stirrer på steder undervejs, yderligere oplysninger ser ud til at forbedre og berige din normale visning. Måske er det dagens tilbud på en restaurant eller visningstiderne på et teater eller busplanen på stationen. Det afgørende at forstå er, at augmented reality ikke er det samme som virtual reality. Mens virtual reality sigter mod at erstatte verden, augmented reality forsøger blot at supplere den med yderligere, nyttigt indhold. Tænk på det som en heads-up display (HUD) til hverdagen.

De fleste augmented-reality-systemer kræver, at en bruger kigger igennem et specielt visningsapparat for at se en virkelighedens scene forstærket med syntetiseret grafik. De kræver også en kraftfuld computer. Optisk camouflage kræver også disse ting, men det nødvendiggør også flere andre komponenter. Her er alt hvad der er nødvendigt for at få en person til at virke usynlig:

• en beklædningsgenstand lavet af stærkt reflekterende materiale
• et digitalt videokamera
• en computer
• en projektor
• en speciel, halvsølvet spejl kaldet en kombinationsmaskine

På den næste side, vi vil se nærmere på hver af disse komponenter.

Optisk camouflage:Usynlige kappe -komponenter

Okay, så du har dit videokamera, computer, projektor, kombinerer og vidunderlig reflekterende regnfrakke. Hvordan forvandler augmented reality-teknologi denne ulige indkøbsliste til en opskrift på usynlighed?

Først, lad os se nærmere på regnfrakken:Den er lavet af retroreflekterende materiale. Dette højteknologiske stof er dækket med tusinder og tusinder af små perler. Når lyset rammer en af ​​disse perler, lysstrålerne hopper præcis tilbage i samme retning, som de kom fra.

For at forstå, hvorfor dette er unikt, se hvordan lys reflekterer fra andre typer overflader. En ru overflade skaber en diffus refleksion, fordi de indfaldende (indgående) lysstråler spredes i mange forskellige retninger. En perfekt glat overflade, som et spejl, skaber det, der er kendt som en spejlende refleksion - en refleksion, hvor indfaldende lysstråler og reflekterede lysstråler danner nøjagtig samme vinkel med spejloverfladen.

I refleksion, glasperlerne virker som prismer, bøjer lysstrålerne ved brydning. Dette får de reflekterede lysstråler til at rejse tilbage ad samme vej som de indfaldende lysstråler. Resultatet:En observatør placeret ved lyskilden modtager mere af det reflekterede lys og ser derfor en lysere refleksion.

Retro-reflekterende materialer er faktisk ret almindelige. Trafikskilte, vejmarkører og cykelreflekser drager alle fordel af retro-refleksion for at være mere synlige for folk, der kører om natten. Filmskærmene, der findes i de fleste moderne kommercielle teatre, drager også fordel af dette materiale, fordi det giver mulighed for høj glans under mørke forhold. I optisk camouflage, brugen af ​​retroreflekterende materiale er kritisk, fordi det kan ses langt væk og udefra i stærkt sollys-to krav til illusionen om usynlighed.

Optisk camouflage:Flere komponenter til usynlig kappe

For resten af ​​opsætningen, videokameraet skal placeres bag motivet for at fange baggrunden. Computeren tager det optagede billede fra videokameraet, beregner det passende perspektiv og omdanner det fangede billede til det billede, der vil blive projiceret på det reflekterende materiale.

Projektoren lyser derefter det ændrede billede på tøjet, ved at skinne en lysstråle gennem en åbning styret af en enhed kaldet en iris -membran . Denne membran er lavet af tynd, uigennemsigtige plader, og drejning af en ring ændrer diameteren af ​​den centrale åbning. For at optisk camouflage fungerer korrekt, denne åbning skal være på størrelse med et pinhole. Hvorfor? Dette sikrer en større dybdeskarphed, så skærmen (i dette tilfælde kappen) kan placeres enhver afstand fra projektoren.

Endelig, det overordnede system kræver et specielt spejl for både at afspejle det projicerede billede mod kappen og for at lade lysstråler, der hopper af kappen, vende tilbage til brugerens øje. Dette særlige spejl kaldes a strålesplitter , eller a kombinationsmaskine -et halvsølvet spejl, der både reflekterer lys (den forsølvede halvdel) og transmitterer lys (den gennemsigtige halvdel).

Hvis den er korrekt placeret foran brugerens øje, kombinereren giver brugeren mulighed for at opfatte både det billede, der er forstærket af computeren, og lys fra den omgivende verden. Dette er kritisk, fordi det computergenererede billede og den virkelige verden skal integreres fuldt ud, for at illusionen om usynlighed kan virke realistisk. Brugeren skal kigge gennem et kighul i dette spejl for at se den udvidede virkelighed.

På den næste side, vi ser på, hvordan hele dette system hænger sammen.

Optisk camouflage:Det komplette usynlighedssystem

Lad os nu sammensætte alle disse komponenter for at se, hvordan usynlighedskappen ser ud til at gøre en person gennemsigtig. Diagrammet herunder viser det typiske arrangement af alle de forskellige enheder og udstyrsstykker.

Når en person tager kappen på med det retroreflekterende materiale, her er hændelsesforløbet:

1. Et digitalt videokamera fanger scenen bag den person, der bærer kappen.
2. Computeren behandler det optagede billede og foretager de beregninger, der er nødvendige for at justere stillbilledet eller videoen, så det ser realistisk ud, når det projiceres.
3. Projektoren modtager det forbedrede billede fra computeren og skinner billedet gennem en åbning i en hulhulstørrelse på kombinationsenheden.
4. Den forsølvede halvdel af spejlet, som er fuldstændig reflekterende, studser det projicerede billede mod den person, der bærer kappen.
5. Kappen fungerer som en filmskærm, reflekterer lys direkte tilbage til kilden, som i dette tilfælde er spejlet.
6. Lysstråler, der hopper af kappen, passerer gennem den transparente del af spejlet og falder på brugerens øjne. Husk, at lysstrålerne, der hopper af kappen, indeholder billedet af scenen, der findes bag personen, der har kappen på.

Personen iført kappen fremstår usynlig, fordi baggrundsscenen vises på det reflekterende materiale. På samme tid, lysstråler fra resten af ​​verden får lov at nå brugerens øje, får det til at virke som om en usynlig person eksisterer i en ellers normalt udseende verden.

Optisk camouflage:Virkelige usynlighedsapplikationer

Ordene "usynlighedskappe" har en tendens til at tilkalde billeder af fantastisk eventyr, magisk spionage og bedrageri i anden verden. De faktiske applikationer til optisk camouflage, imidlertid, er langt mindre derude. Du kan glemme at skjule dit romulanske stjerneskib eller hænge ud i damens troldmands sovesal, men det betyder ikke, at der ikke er en række levedygtige anvendelser for teknologien.

For eksempel, piloter, der landede et fly, kunne bruge denne teknologi til at gøre cockpitgulve gennemsigtige. Dette ville gøre dem i stand til at se landingsbanen og landingsudstyret ved blot at kaste et blik ned på gulvet (hvilket ville vise udsigten fra skrogets yderside) Tilsvarende chauffører skulle ikke beskæftige sig med spejle og blinde vinkler. I stedet, de kunne bare "kigge igennem" hele bagsiden af ​​køretøjet. Teknologien kan endda prale af potentielle anvendelser inden for det medicinske område, som kirurger kunne bruge optisk camouflage til at gennemskue deres hænder og instrumenter for et frit udsyn til det underliggende væv.

Interessant nok, en mulig anvendelse af denne teknologi drejer sig faktisk om at gøre objekter mere synlige. Konceptet kaldes gensidig telexistens og indebærer i det væsentlige at projicere en fjernbrugeres udseende på en robot belagt i retroreflekterende materiale. Sig en kirurg opererede en patient via fjernbetjening robotkirurgi. Gensidig telexistens ville give de menneskelige læger, der bistår proceduren, opfattelsen af, at de arbejder med et andet menneske i stedet for en maskine.

Lige nu, gensidig telexistens er science fiction, men forskere fortsætter med at skubbe teknologiens grænser. For eksempel, gennemgribende spil er allerede ved at blive en realitet. Gennemsigtig spil udvider spiloplevelser ud i den virkelige verden, hvad enten det er på byens gader eller i fjerntliggende vildmark. Spillere med mobilskærme bevæger sig gennem verden, mens sensorer fanger oplysninger om deres miljø, herunder deres placering. Disse oplysninger giver en spiloplevelse, der ændrer sig i forhold til, hvor brugerne er, og hvad de laver.

Forsvinder ikke over os. Vi har mange flere links, som du kan udforske næste gang.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer Harry Potter's Wand
• Sådan fungerer Batsuit
• Hvordan Augmented Reality vil fungere
• Tester hæren en usynlig tank?
• Hvordan kan du gøre vand usynligt?
• Superhelt Quiz
• Sådan fungerer 3D-briller
• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer nanoteknologi
• Lyd

Flere store links

• Augmented Reality Page - Jim Vallino, Institut for Software Engineering, Rochester Institute of Technology
• Tachi -laboratorium ved University of Tokyo
• Elektromagnetisk tilsløring i det synlige frekvensområde (PDF)

Kilder

• Adler, Robert. "Akustiske 'superlens' kan betyde finere ultralydsscanninger." Ny forsker. Januar 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 fra termisk modulerede transparente carbon nanorørplader." Nanoteknologi 22. 2011. (13. oktober, 2011) http://iopscience.iop.org/0957-4484/22/43/435704/pdf/0957-4484_22_43_435704.pdf
• Barras, Colin. "Guldringe skaber den første sande usynlighedskappe." 2. oktober 2007. (13. okt. 2009) http://www.newscientist.com/article/dn12722-gold-rings-create-first-true-invisibility-cloak.html
• BBC nyheder. "Opfinder planlægger 'usynlige vægge'." BBC nyheder. 14. juni kl. 2004. http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/3791795.stm
• Blandet, Eric. "Usynlighedskappe tættere på end virkeligheden nogensinde." Discovery News. 15. januar, 2009. (13. oktober, 2009) http://dsc.discovery.com/news/2009/01/15/invisibility-cloak.html
• Brun, Mærke. "Se:'Usynlighedskappe' Bruger Mirages for at få objekter til at forsvinde." Kablet. 4. oktober kl. 2011. (13. oktober, 2011) http://www.wired.com/dangerroom/2011/10/invisibility-cloak-mirage/
• Feiner, Steven K. "Augmented reality:En ny måde at se, "Scientific American. April 2002.
• Inami, Masahiko et al. "Visuo-Haptic-skærm ved hjælp af hovedmonteret projektor." Http://projects.star.t.u-tokyo.ac.jp/projects/MEDIA/xv/oc.html
• Inami, Masahiko et al. "Optisk camouflage ved hjælp af retro-reflekterende projektionsteknologi, "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
• "'Usynlighedskapper' kunne bryde lydbarrierer." Duke Engineering. 9. januar, 2008. (13. oktober, 2009) http://www.pratt.duke.edu/news/?id=1193
• McCarthy, Wil. "At være usynlig." Kablet. November 2008. (13. oktober, 2009) http://www.wired.com/wired/archive/11.08/pwr_invisible_pr.html
• Mullins, Justin. "Arbejde usynlighed kappe oprettet til sidst." 19. oktober kl. 2006. (13. oktober, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn10334-working-invisibility-cloak-created-at-last.html
• Pendry, John. "Metamaterialer." Ny forsker. (21. oktober, 2011) http://www.newscientist.com/data/doc/article/dn19554/instant_expert_7_-_metamaterials.pdf
• Smolyaninov, Igor et al. "Elektromagnetisk tilsløring i det synlige frekvensområde." University of Maryland Department of Electrical and Computer Engineering. 10. december kl. 2007. (13. oktober, 2009) http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.2862.pdf
• Tachi, Susumu. "Telexistens og retro-reflekterende projektionsteknologi (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