Da sinistra, Ahmed Elsehly, Dott. Don Gregorio, Samantha Gregory e Bill Walker sono in piedi vicino a un monocromatore da laboratorio utilizzato per testare i materiali dello schermo. Il dottor Gregory tiene un campione di prova. Credito:Michael Mercier | UAH
Lo sviluppo di un sistema di proiezione simile alla realtà virtuale per studiare la visione degli insetti potrebbe alla fine fornire all'aeronautica americana un nuovo tipo di sistema di navigazione.
L'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH) è l'istituzione principale che ha collaborato con Polaris Sensor Technologies Inc. di Huntsville in un triennio, Sovvenzione di 1 milione di dollari per il trasferimento di tecnologia di fase II per piccole imprese (STTR) per testare vari materiali per schermi e quindi progettare e costruire un sistema di proiezione di scene di esperimenti sugli insetti per l'aeronautica.
UAH e Polaris hanno completato con successo uno studio di sovvenzione di Fase I e sono stati incoraggiati a presentare una proposta per il programma di Fase II premiato in modo competitivo. Il team è stato recentemente informato che la sua proposta è vincente. Polaris Sensor Technologies si occuperà del lavoro di progettazione e UAH è responsabile della ricerca sui materiali e sui sistemi dei componenti. La camera sarà costruita nell'UAH Optics Building.
L'Air Force è interessata a sapere come gli insetti usano la visione polarizzata, dice il dottor Don Gregory, UAH illustre professore di fisica. La polarizzazione implica l'orientamento geometrico delle oscillazioni delle onde luminose, una proprietà che gli insetti rilevano e usano in qualche modo per dirigersi.
"Molti insetti possono vedere e utilizzare la polarizzazione ottica. Ad esempio, alcuni insetti possono vedere il modello di polarizzazione parziale nel cielo, che non possiamo vedere senza strumenti. Quindi pensa a scenari in cui il GPS non è disponibile, come in fondo a "canyon urbani". Come navighi?" chiede il dottor Gregory. "Alcuni insetti, comprese le api, formiche e locuste, navigare rilevando il modello di polarizzazione celeste, e sarebbe piuttosto bello capire come lo fanno e sfruttare il meccanismo per affrontare le situazioni in cui il GPS è negato."
Per capire come gli insetti sfruttano la polarizzazione e la visione dei colori, Gli scienziati dell'Air Force hanno prima bisogno di un ambiente sperimentale che fornisca stimoli visivi realistici per gli insetti.
"Vogliamo che l'insetto pensi di essere fuori, " dice il dottor Gregory.
Ci sono due sfide per farlo accadere. Primo, lo schermo utilizzato per creare l'ambiente deve rappresentare accuratamente lo spettro luminoso e la polarizzazione che viene immessa in esso durante un esperimento. In secondo luogo, la frequenza di aggiornamento dello schermo deve essere superiore alla velocità con cui l'insetto in prova sperimenta un movimento fluido piuttosto che semplicemente una serie di immagini rinfrescanti, chiamato la sua frequenza di fusione sfarfallio.
Ci sono due possibili tipi di schermo per proiettare immagini sperimentali agli insetti. Uno utilizza un materiale dello schermo riflettente che rimbalza le immagini proiettate come uno schermo cinematografico. Il secondo utilizza uno schermo trasmissivo che visualizza le immagini proiettate su di esso da dietro, simile agli schermi TV di proiezione.
Trovare il materiale migliore per entrambi i tipi di schermi è compito di Bill Walker, che è uno studente laureato in fisica con una concentrazione di ottica.
"Quello che stiamo sviluppando è uno schermo per insetti tipo IMAX, " Dice Walker. "Quello che faccio è testare i materiali candidati per lo schermo". Il fatto che gli insetti possano vedere in uno spettro più ampio rispetto agli umani aggiunge alla sfida. "Deve essere ultravioletto attraverso la gamma umana visibile, e so che la gamma UV è un osso duro".
Nel laboratorio, Walker utilizza un monocromatore per selezionare le lunghezze d'onda della luce che si concentra su un campione di materiale dello schermo potenziale, e quindi misura la quantità di luce riflessa o trasmessa attraverso un arco di 180 gradi, il tutto monitorando la fedeltà della riproduzione alle lunghezze d'onda e alla polarizzazione in ingresso.
"La cosa principale che misuro è la quantità di luce che passa attraverso o riflette dallo schermo, a seconda dell'angolo, "dice Walker.
Il suo lavoro è potenziato dalla ricerca sulla polarizzazione mediante scattering condotta dal membro del team Ahmed Elsehly, uno studente di dottorato in scienze ottiche e ingegneria che svolge anche un ruolo primario come esperto dei ricercatori sul software di progettazione ottica Zemax che utilizzano.
"Zemax è lo standard del settore per il software ottico, e direi che all'università non c'è nessuno che lo capisca meglio di Ahmed, " dice il dottor Gregory.
Il secondo ostacolo alla realtà virtuale degli insetti è la frequenza di aggiornamento dello schermo, che viene affrontato da Samantha Gregory, La figlia del dottor Gregory e una studentessa laureata in fisica.
"Metà della sfida di far credere loro che ciò che lo schermo mostra loro sia reale è far sì che lo schermo sfarfalli più velocemente di quanto l'insetto possa rilevarlo, " dice. È una bella impresa, poiché la velocità con cui l'insetto vede i rinfreschi separati come un'immagine continua in movimento, che può arrivare fino a 400 Hz, è ben al di sopra della frequenza di visualizzazione di circa 60 Hz in cui gli esseri umani vedono le cose in movimento su uno schermo come un movimento continuo.
"Per avere successo, non ci resta che operare al di sopra di quei 400 Hz, "dice Samantha Gregory.
Il design UAH/Polaris utilizza la stessa tecnologia del dispositivo digitale a microspecchi (DMD) utilizzata nell'ultima generazione di proiettori cinematografici, dice il dottor Gregory.
Confronta la frequenza di aggiornamento con l'atto di disegnare figure su molte carte da gioco, quindi capovolgendoli per far muovere la figura. "Se si ribalta abbastanza velocemente, sembra un movimento continuo."