E se potessi semplicemente indossare un mantello e scomparire alla vista? Foto per gentile concessione di ©Laboratorio Tachi, l'Università di Tokyo Ammettilo. Ti piacerebbe possedere un mantello dell'invisibilità. Dire un passo falso imbarazzante a una festa? Indossa il tuo indumento magico e svanisci dallo sguardo altezzoso dei tuoi compagni di festa. Vuoi sentire cosa dice davvero di te il tuo capo? Entra nel suo ufficio e prendi la merce.
Questi fantastici accessori di moda sono diventati ridicolmente standard nel mondo della fantascienza e del fantasy. Tutti, dai maghi ai cacciatori di safari intergalattici, ha almeno una camicetta invisibile nell'armadio, ma che dire di noi poveretti nel mondo reale?
Bene, Babbani, la scienza ha buone notizie per te:i mantelli dell'invisibilità sono una realtà. La tecnologia è tutt'altro che perfetta, ma se entrerai nella nostra boutique high-tech di abbigliamento evanescente, ti guideremo attraverso le opzioni del mantello dell'invisibilità.
Primo su, daremo un'occhiata ad alcuni meravigliosi modelli di nanotubi di carbonio, freschi della collezione autunno 2011 dell'UTD NanoTech Institute. Questa nuova tecnologia si ispira agli stessi fenomeni naturali responsabili dei miraggi del deserto. Riscaldato tramite stimolazione elettrica, il forte gradiente di temperatura tra il mantello e l'area circostante provoca un forte gradiente di temperatura che devia la luce lontano da chi lo indossa. Il trucco:chi lo indossa deve amare l'acqua ed essere in grado di adattarsi a una capsula di Petri.
O forse preferiresti qualcosa fatto di metamateriali. Queste minuscole strutture sono più piccole della lunghezza d'onda della luce. Se adeguatamente costruito, guidano i raggi di luce attorno a un oggetto, proprio come una roccia che devia l'acqua in un ruscello. Per adesso, però, la tecnologia funziona solo in due dimensioni ed è disponibile solo nella dimensione ultrapiccola di 10 micrometri di diametro.
Se ti piace di più la moda retrò, c'è anche la tecnologia di mimetizzazione ottica sviluppata dagli scienziati dell'Università di Tokyo. Questo approccio funziona sugli stessi principi dello schermo blu utilizzato dai meteorologi televisivi e dai registi di Hollywood. Se vuoi che le persone vedano attraverso di te, allora perché non filmare quello che c'è dietro di te e proiettarlo sul tuo corpo? Se viaggi con un entourage di videografi, questo potrebbe essere il mantello che fa per te.
Pronto a provare alcune di queste mode per taglia?
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Qui vediamo il nanotubo di carbonio a parete multipla (MWCT) passare da inattivo ad attivo, scomparendo alla vista nel processo. Foto per gentile concessione di Aliev A et al. 2011 Nanotecnologia Primo, proviamo questo mantello dell'invisibilità in nanotubi di carbonio per taglia e sperimentiamo le meraviglie dell'effetto miraggio.
Probabilmente conosci meglio i miraggi dei racconti di vagabondi del deserto che intravedono un'oasi lontana, solo per scoprire che era solo un miraggio - nessun lago miracoloso di acqua potabile, solo più sabbia calda.
La sabbia calda è la chiave per il effetto miraggio (o deflessione fototermica ), mentre la rigida differenza di temperatura tra la sabbia e l'aria si piega, o rifrange, raggi di luce. La rifrazione fa oscillare i raggi di luce verso gli occhi dello spettatore invece di farli rimbalzare sulla superficie. Nel classico esempio del miraggio del deserto, questo effetto fa apparire a terra una "pozzanghera" di cielo, che il cervello logico (e assetato) interpreta come una pozza d'acqua. Probabilmente hai visto effetti simili su superfici stradali calde, con tratti di strada distanti che sembrano risplendere di acque pozzanghere.
Nel 2011, i ricercatori dell'Università del Texas al Dallas NanoTech Institute sono riusciti a capitalizzare su questo effetto. Hanno usato fogli di nanotubi di carbonio , fogli di carbonio avvolti in tubi cilindrici [fonte:Aliev et al.]. Ogni pagina è spessa appena quanto una singola molecola, eppure è forte come l'acciaio perché gli atomi di carbonio in ogni tubo sono legati in modo incredibilmente stretto. Questi fogli sono anche ottimi conduttori di calore, rendendoli ideali creatori di miraggi.
Nell'esperimento, i ricercatori hanno riscaldato i fogli elettricamente, che trasferiva il calore all'area circostante (una capsula di Petri d'acqua). Come si vede dalle fotografie, questo ha fatto sì che la luce si piegasse lontano dal foglio di nanotubi di carbonio, nascondendo efficacemente qualsiasi cosa dietro di sé con l'invisibilità.
Inutile dire, non ci sono molti posti in cui vorresti indossare un minuscolo, completo surriscaldato che deve restare immerso nell'acqua, ma l'esperimento dimostra il potenziale di tali materiali. In tempo, la ricerca potrebbe abilitare non solo i mantelli dell'invisibilità, ma anche altri dispositivi per piegare la luce, tutti con un pratico interruttore on/off.
Prossimo, infiliamoci in un mantello dell'invisibilità fatto di metamateriali.
Metamateriali offrire una visione più avvincente della tecnologia dell'invisibilità, senza la necessità di più proiettori e fotocamere. Concettualizzato per la prima volta dal fisico russo Victor Veselago nel 1967, questi piccoli, le strutture artificiali sono più piccole della lunghezza d'onda della luce (devono essere per deviarle) e mostrano proprietà elettromagnetiche negative che influenzano il modo in cui un oggetto interagisce con i campi elettromagnetici.
I materiali naturali hanno tutti un indice di rifrazione positivo , e questo determina come le onde luminose interagiscono con loro. La rifrazione deriva in parte dalla composizione chimica, ma la struttura interna gioca un ruolo ancora più importante. Se modifichiamo la struttura di un materiale su una scala sufficientemente piccola, possiamo cambiare il modo in cui rifrangono le onde in arrivo, anche forzando un passaggio dalla rifrazione positiva a quella negativa.
Ricordare, le immagini ci raggiungono tramite onde luminose. I suoni ci raggiungono attraverso le onde sonore. Se riesci a incanalare queste onde attorno a un oggetto, puoi nasconderlo efficacemente alla vista o al suono. Immagina un piccolo ruscello. Se metti una bustina di tè piena di colorante rosso nell'acqua che scorre, la sua presenza sarebbe evidente a valle, grazie al modo in cui ha alterato la tonalità dell'acqua, gusto e olfatto. E se potessi deviare l'acqua intorno alla bustina di tè?
Nel 2006, David Smith della Duke University ha preso una precedente teoria posta dal fisico teorico inglese John Pendry e l'ha usata per creare un metamateriale in grado di distorcere il flusso delle microonde. Il tessuto metamateriale di Smith consisteva in anelli concentrici contenenti distorsioni elettroniche a microonde. Quando attivato, guidano le microonde specifiche per la frequenza attorno alla porzione centrale del materiale.
Ovviamente gli umani non vedono nello spettro delle microonde, ma la tecnologia ha dimostrato che le onde di energia possono essere instradate attorno a un oggetto. Immagina un mantello che possa deviare la palla di paglia di un bambino di terza elementare, spostalo attorno a chi lo indossa e lascialo continuare dall'altra parte come se la sua traiettoria l'avesse preso, incontrastato, direttamente attraverso la persona nel mantello. Ora, quanto sarebbe più difficile deviare una roccia? Un proiettile?
I metamateriali di Smith hanno dimostrato il metodo. La ricetta dell'invisibilità consisteva nell'adattarla alle diverse onde.
Più avanti sui metamateriali.
La frontiera più piccolaMetamateriali, una creazione della scienza, non si verificano naturalmente. Al fine di creare le strutture minute necessarie per reindirizzare le onde elettromagnetiche, gli scienziati utilizzano la nanotecnologia. Leggi Come funziona la nanotecnologia per scoprire tutto sulle macchine più piccole del mondo.
Questa immagine ottica mostra i metamateriali dell'Università del Maryland in azione, allontanare le onde luminose da ciascun cerchio centrale. Le frecce indicano la direzione delle onde luminose. Immagine per gentile concessione del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università del Maryland Nel 2007, Igor Smolyaninov dell'Università del Maryland ha guidato la sua squadra ancora più in là lungo la strada verso l'invisibilità. Incorporando le teorie precedenti proposte da Vladimir Shaleav della Purdue University, Smolyaninov ha costruito un metamateriale in grado di piegare la luce visibile attorno a un oggetto.
A soli 10 micrometri di larghezza, il mantello Purdue utilizza anelli d'oro concentrici iniettati con luce ciano polarizzata. Questi anelli guidano le onde luminose in arrivo lontano dall'oggetto nascosto, rendendolo effettivamente invisibile. I fisici cinesi dell'Università di Wuhan hanno portato questo concetto nella gamma udibile, proponendo la creazione di un mantello dell'invisibilità acustica in grado di deviare le onde sonore attorno a un oggetto.
Per ora, i mantelli dell'invisibilità metamateriali sono alquanto limitati. Non sono solo piccoli; sono limitati a due dimensioni:difficilmente ciò di cui avresti bisogno per svanire nello scenario di una zona di guerra 3D. Più, il mantello risultante peserebbe più di quanto anche un mago adulto possa sperare di portare in giro. Di conseguenza, la tecnologia potrebbe essere più adatta ad applicazioni come nascondere edifici o veicoli fermi, come un serbatoio.
La tecnologia del camuffamento ottico non ti renderà invisibile ai mostri Beholder dagli occhi multipli, e nemmeno ai gatti randagi e agli scoiattoli. Foto per gentile concessione di ©Laboratorio Tachi, l'Università di Tokyo Pronto a scivolare in alcune mode mimetiche ottiche della vecchia scuola?
Questa tecnologia sfrutta la cosiddetta tecnologia della realtà aumentata, un tipo di tecnologia introdotta per la prima volta negli anni '60 da Ivan Sutherland e dai suoi studenti dell'Università di Harvard e dell'Università dello Utah.
Il camuffamento ottico offre un'esperienza simile al mantello dell'invisibilità di Harry Potter, ma usarlo richiede una disposizione leggermente complicata. Primo, la persona che vuole essere invisibile (chiamiamola Harry) indossa un indumento che ricorda un impermeabile con cappuccio. Il capo è realizzato con un materiale speciale che esamineremo più da vicino tra un attimo.
Prossimo, un osservatore (chiamiamolo Professor Snape) sta davanti a Harry in un luogo specifico. In quella posizione, invece di vedere Harry che indossa un impermeabile con cappuccio, Snape vede attraverso il mantello, facendo sembrare Harry invisibile. La foto sopra mostra cosa vedrebbe Snape. E se Piton si fosse fatto da parte e avesse visto Harry da una posizione leggermente diversa? Come mai, vedrebbe semplicemente il maghetto indossare un indumento d'argento. Probabilmente seguiranno smorfie e detenzioni. Fortunato per Harry, il suo mantello immaginario offre una protezione a 360 gradi.
Il camuffamento ottico non funziona per magia. Funziona sfruttando qualcosa chiamato tecnologia della realtà aumentata -- un tipo di tecnologia introdotta per la prima volta negli anni '60 da Ivan Sutherland e dai suoi studenti dell'Università di Harvard e dell'Università dello Utah. Puoi leggere di più sulla realtà aumentata in Come funziona la realtà aumentata, ma un breve riassunto sarà utile qui.
I sistemi di realtà aumentata aggiungono informazioni generate al computer alle percezioni sensoriali di un utente. Immaginare, Per esempio, che stai camminando per una strada cittadina. Mentre guardi i siti lungo la strada, ulteriori informazioni sembrano migliorare e arricchire la tua visualizzazione normale. Forse sono le specialità del giorno in un ristorante o gli orari degli spettacoli in un teatro o l'orario degli autobus alla stazione. La cosa fondamentale da capire è che la realtà aumentata non è la stessa cosa della realtà virtuale. Mentre la realtà virtuale mira a sostituire il mondo, la realtà aumentata cerca semplicemente di integrarla con ulteriori, contenuto utile. Pensalo come un display heads-up (HUD) per la vita di tutti i giorni.
La maggior parte dei sistemi di realtà aumentata richiede all'utente di guardare attraverso uno speciale apparato di visualizzazione per vedere una scena del mondo reale arricchita con grafica sintetizzata. Richiedono anche un computer potente. Anche il camuffamento ottico richiede queste cose, ma richiede anche molti altri componenti. Ecco tutto il necessario per far apparire invisibile una persona:
Nella pagina successiva, esamineremo ciascuno di questi componenti in maggiore dettaglio.
Il camuffamento ottico funziona sfruttando una cosa chiamata tecnologia della realtà aumentata. Scopri come funziona e scopri cosa c'è nel mantello. Va bene, quindi hai la tua videocamera, computer, proiettore, combinatore e meraviglioso impermeabile riflettente. In che modo la tecnologia della realtà aumentata trasforma questa strana lista della spesa in una ricetta per l'invisibilità?
Primo, Diamo un'occhiata più da vicino all'impermeabile:è realizzato in materiale retroriflettente. Questo tessuto high-tech è ricoperto da migliaia e migliaia di piccole perline. Quando la luce colpisce una di queste perle, i raggi luminosi rimbalzano esattamente nella stessa direzione da cui provenivano.
Per capire perché questo è unico, guarda come la luce si riflette su altri tipi di superfici. Una superficie ruvida crea una riflessione diffusa perché i raggi di luce incidente (in entrata) si disperdono in molte direzioni diverse. Una superficie perfettamente liscia, come quello di uno specchio, crea ciò che è noto come a riflesso speculare - una riflessione in cui i raggi di luce incidente e i raggi di luce riflessa formano esattamente lo stesso angolo con la superficie dello specchio.
In retro-riflessione, le perle di vetro agiscono come prismi, piegando i raggi luminosi per rifrazione. Ciò fa sì che i raggi luminosi riflessi ritornino indietro lungo lo stesso percorso dei raggi luminosi incidenti. Il risultato:un osservatore situato presso la sorgente luminosa riceve più luce riflessa e quindi vede un riflesso più luminoso.
I materiali retroriflettenti sono in realtà abbastanza comuni. Segnali stradali, i segnali stradali e i catarifrangenti per biciclette sfruttano tutti il catarifrangente per essere più visibili alle persone che guidano di notte. Anche gli schermi cinematografici che si trovano nella maggior parte dei cinema commerciali moderni sfruttano questo materiale perché consente un'elevata brillantezza in condizioni di oscurità. In mimetica ottica, l'uso di materiale retroriflettente è fondamentale perché può essere visto da lontano e all'esterno in piena luce solare - due requisiti per l'illusione dell'invisibilità.
Come puoi vedere in questa immagine, l'esperienza ricorda da vicino camminare direttamente davanti a uno schermo di proiezione cinematografica, solo con uno sfondo reale. AP Photo/Shizuo Kambayashi Per il resto dell'allestimento, la videocamera deve essere posizionata dietro il soggetto per catturare lo sfondo. Il computer prende l'immagine catturata dalla videocamera, calcola la prospettiva appropriata e trasforma l'immagine catturata nell'immagine che verrà proiettata sul materiale retroriflettente.
Il proiettore quindi illumina l'immagine modificata sull'indumento, facendo passare un raggio di luce attraverso un'apertura comandata da un dispositivo chiamato an diaframma ad iride . Questo diaframma è fatto di sottile, piatti opachi, e ruotando un anello si modifica il diametro dell'apertura centrale. Affinché il camuffamento ottico funzioni correttamente, questa apertura deve avere le dimensioni di un foro stenopeico. Come mai? Ciò garantisce una maggiore profondità di campo in modo che lo schermo (in questo caso il mantello) possa essere posizionato a qualsiasi distanza dal proiettore.
Finalmente, il sistema complessivo necessita di uno specchio speciale sia per riflettere l'immagine proiettata verso il mantello sia per far ritornare all'occhio dell'utilizzatore i raggi di luce che rimbalzano sul mantello. Questo specchio speciale si chiama a divisore di raggio , o un combinatore -- uno specchio mezzo argentato che riflette la luce (la metà argentata) e trasmette luce (la metà trasparente).
Se posizionato correttamente davanti all'occhio dell'utilizzatore, il combinatore permette all'utente di percepire sia l'immagine valorizzata dal computer che la luce del mondo circostante. Questo è fondamentale perché l'immagine generata dal computer e la scena del mondo reale devono essere integrate completamente affinché l'illusione dell'invisibilità sembri realistica. L'utente deve guardare attraverso uno spioncino in questo specchio per vedere la realtà aumentata.
Nella pagina successiva, vedremo come l'intero sistema si riunisce.
Un modo per far sembrare una persona trasparente Ora mettiamo insieme tutti questi componenti per vedere come il mantello dell'invisibilità sembra rendere trasparente una persona. Lo schema seguente mostra la disposizione tipica di tutti i vari dispositivi e apparecchiature.
Una volta che una persona indossa il mantello realizzato con il materiale retroriflettente, ecco la sequenza degli eventi:
La persona che indossa il mantello appare invisibile perché la scena di sfondo viene visualizzata sul materiale retroriflettente. Allo stesso tempo, i raggi luminosi provenienti dal resto del mondo possono raggiungere l'occhio dell'utente, facendo sembrare che una persona invisibile esista in un mondo altrimenti normale.
Mentre un mantello dell'invisibilità è un'interessante applicazione del camuffamento ottico, probabilmente non è il più utile. Scopri alcune applicazioni del mondo reale. Le parole "mantello dell'invisibilità" tendono a evocare immagini di avventure fantastiche, spionaggio magico e inganno ultraterreno. Le applicazioni reali per il camuffamento ottico, però, sono molto meno là fuori. Puoi dimenticare di nascondere la tua astronave romulana o di uscire nel dormitorio delle maghe, ma ciò non significa che non ci siano molti usi praticabili per la tecnologia.
Ad esempio, i piloti che atterrano su un aereo potrebbero utilizzare questa tecnologia per rendere trasparenti i pavimenti della cabina di pilotaggio. Ciò consentirebbe loro di vedere la pista e il carrello di atterraggio semplicemente guardando il pavimento (che mostrerebbe la vista dall'esterno della fusoliera). Allo stesso modo, i conducenti non dovrebbero avere a che fare con specchietti e punti ciechi. Anziché, potevano semplicemente "guardare attraverso" l'intera parte posteriore del veicolo. La tecnologia vanta anche potenziali applicazioni in campo medico, poiché i chirurghi potrebbero usare il camuffamento ottico per vedere attraverso le mani e gli strumenti per una visione senza ostacoli del tessuto sottostante.
Abbastanza interessante, una possibile applicazione di questa tecnologia in realtà ruota attorno al rendere gli oggetti più visibili. Il concetto si chiama mutua telexistenza e consiste essenzialmente nel proiettare l'aspetto di un utente remoto su un robot rivestito di materiale retroriflettente. Diciamo che un chirurgo stava operando su un paziente tramite chirurgia robotica a controllo remoto. La teleesistenza reciproca fornirebbe ai medici umani che assistono la procedura la percezione di lavorare con un altro essere umano invece che con una macchina.
Proprio adesso, la teleesistenza reciproca è fantascienza, ma gli scienziati continuano a spingere i confini della tecnologia. Per esempio, il gioco pervasivo sta già diventando una realtà. Gioco pervasivo estende le esperienze di gioco nel mondo reale, sia per le strade della città che in remote terre selvagge. I giocatori con display mobili si muovono nel mondo mentre i sensori acquisiscono informazioni sul loro ambiente, compresa la loro posizione. Queste informazioni offrono un'esperienza di gioco che cambia a seconda di dove si trovano gli utenti e cosa stanno facendo.
Non sparire su di noi. Abbiamo molti altri link da esplorare in seguito.
