E se você pudesse simplesmente colocar uma capa e desaparecer de vista? Foto cedida por © Tachi Laboratory, a Universidade de Tóquio Admite. Você adoraria ter uma capa de invisibilidade. Dizer uma gafe embaraçosa em uma festa? Basta colocar sua roupa mágica e desaparecer do olhar esnobe de seus companheiros de festa. Quer ouvir o que seu chefe está realmente dizendo sobre você? Passeie direto para o escritório dele e pegue as mercadorias.
Esses acessórios de moda fantásticos se tornaram ridiculamente padrão no mundo da ficção científica e fantasia. Todos, de meninos bruxos a caçadores de safáris intergalácticos, tem pelo menos uma blusa invisível em seu guarda-roupa, mas e nós, pobres idiotas do mundo real?
Nós vamos, Trouxas, a ciência tem boas notícias para você:as capas de invisibilidade são uma realidade. A tecnologia está longe de ser perfeita, mas se você entrar em nossa boutique de alta tecnologia de roupas desaparecidas, nós o guiaremos através de suas opções de capa de invisibilidade.
Primeiro, nós veremos algumas modas maravilhosas de nanotubos de carbono - frescas da coleção de outono de 2011 do UTD NanoTech Institute. Essa nova tecnologia é inspirada nos mesmos fenômenos naturais responsáveis pelas miragens do deserto. Aquecido por estimulação elétrica, o acentuado gradiente de temperatura entre a capa e a área ao redor causa um forte gradiente de temperatura que desvia a luz do usuário. O problema:os usuários devem amar água e ser capazes de caber dentro de uma placa de Petri.
Ou talvez você prefira algo feito de metamateriais. Essas estruturas minúsculas são menores do que o comprimento de onda da luz. Se devidamente construído, eles guiam raios de luz ao redor de um objeto - muito parecido com uma rocha que desvia a água em um riacho. Por enquanto, Contudo, a tecnologia funciona apenas em duas dimensões e só vem no tamanho ultrapetite de 10 micrômetros de diâmetro.
Se você gosta mais de moda retrô, há também a tecnologia de camuflagem óptica desenvolvida por cientistas da Universidade de Tóquio. Essa abordagem funciona nos mesmos princípios da tela azul usada por meteorologistas de TV e cineastas de Hollywood. Se você quer que as pessoas vejam através de você, então por que não filmar o que está atrás de você e projetá-lo em seu corpo? Se você viajar com uma comitiva de cinegrafistas, esta pode ser a capa para você.
Pronto para experimentar algumas dessas modas para ver o tamanho?
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Aqui, vemos o nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWCT) mudar de inativo para ativo, desaparecendo de vista no processo. Foto cedida por Aliev A et al. Nanotecnologia 2011 Primeiro, vamos tentar esta capa de invisibilidade de nanotubo de carbono para ver o tamanho e experimentar as maravilhas do efeito miragem.
Você provavelmente está mais familiarizado com miragens de contos de andarilhos do deserto que vislumbram um oásis distante, apenas para descobrir que era apenas uma miragem - nenhum lago milagroso de água potável, apenas mais areia quente.
A areia quente é a chave para o efeito miragem (ou deflexão fototérmica ), como a forte diferença de temperatura entre as curvas de areia e ar, ou refrata, raios de luz. A refração balança os raios de luz em direção aos olhos do observador, em vez de refleti-los na superfície. No exemplo clássico da miragem do deserto, este efeito faz com que uma "poça" do céu apareça no solo, que o cérebro lógico (e sedento) interpreta como uma piscina de água. Você provavelmente já viu efeitos semelhantes em estradas quentes, com trechos distantes da estrada parecendo brilhar com a água acumulada.
Em 2011, pesquisadores da Universidade do Texas no Dallas NanoTech Institute conseguiram capitalizar esse efeito. Eles usaram folhas de nanotubos de carbono , folhas de carbono enroladas em tubos cilíndricos [fonte:Aliev et al.]. Cada página é quase tão grossa quanto uma única molécula, no entanto, é tão forte quanto o aço porque os átomos de carbono em cada tubo estão ligados de forma incrivelmente firme. Essas folhas também são excelentes condutores de calor, tornando-os criadores de miragens ideais.
No experimento, os pesquisadores aqueceram as folhas eletricamente, que transferiu o calor para a área circundante (uma placa de Petri de água). Como você pode ver nas fotos, isso fez com que a luz se desviasse da folha de nanotubo de carbono, efetivamente encobrindo qualquer coisa por trás dele com invisibilidade.
Desnecessário dizer, não há muitos lugares onde você gostaria de usar um minúsculo, roupa superaquecida que tem que ficar imersa na água, mas o experimento demonstra o potencial para tais materiais. Em tempo, a pesquisa pode permitir não apenas capas de invisibilidade, mas também outros dispositivos de flexão de luz - todos eles com um prático botão liga / desliga.
Próximo, vamos deslizar para uma capa de invisibilidade feita de metamateriais.
Metamateriais oferecem uma visão mais atraente da tecnologia de invisibilidade, sem a necessidade de vários projetores e câmeras. Conceitualizado pela primeira vez pelo físico russo Victor Veselago em 1967, estes minúsculos, estruturas artificiais são menores do que o comprimento de onda da luz (têm que ser para desviá-las) e exibem propriedades eletromagnéticas negativas que afetam como um objeto interage com os campos eletromagnéticos.
Todos os materiais naturais têm um índice de refração positivo , e isso dita como as ondas de luz interagem com eles. A refratividade decorre em parte da composição química, mas a estrutura interna desempenha um papel ainda mais importante. Se alterarmos a estrutura de um material em uma escala pequena o suficiente, podemos mudar a maneira como elas refratam as ondas de entrada - até forçando uma mudança da refração positiva para a negativa.
Lembrar, as imagens chegam até nós por meio de ondas de luz. Os sons chegam até nós por meio de ondas sonoras. Se você pode canalizar essas ondas em torno de um objeto, você pode efetivamente ocultá-lo da vista ou do som. Imagine um pequeno riacho. Se você colocar um saquinho de chá cheio de tinta vermelha na água corrente, sua presença seria aparente a jusante, graças à forma como alterou a tonalidade da água, gosto e cheiro. Mas e se você pudesse desviar a água do saquinho de chá?
Em 2006, David Smith, da Duke University, pegou uma teoria anterior apresentada pelo físico teórico inglês John Pendry e a usou para criar um metamaterial capaz de distorcer o fluxo de microondas. O tecido de metamaterial de Smith consistia em anéis concêntricos contendo distorcedores eletrônicos de micro-ondas. Quando ativado, eles direcionam microondas de frequência específica ao redor da porção central do material.
Obviamente, os humanos não veem no espectro de microondas, mas a tecnologia demonstrou que as ondas de energia podem ser direcionadas ao redor de um objeto. Imagine uma capa que pode desviar a cuspideira de palha de um aluno da terceira série, mova-o ao redor do usuário e permita que ele continue do outro lado como se sua trajetória o tivesse percorrido, sem oposição, direto pela pessoa na capa. Agora, quanto mais esforço seria desviar uma pedra? Uma bala?
Os metamateriais de Smith provaram o método. A receita para a invisibilidade está em adaptá-la a diferentes ondas.
Mais sobre metamateriais a seguir.
A menor fronteiraMetamateriais, uma criação da ciência, não ocorrem naturalmente. A fim de criar as estruturas mínimas necessárias para redirecionar as ondas eletromagnéticas, os cientistas empregam a nanotecnologia. Leia Como funciona a nanotecnologia para aprender tudo sobre as menores máquinas do mundo.
Esta imagem óptica mostra os metamateriais da Universidade de Maryland em ação, direcionando as ondas de luz para longe de cada círculo central. As setas indicam a direção das ondas de luz. Imagem cortesia do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Maryland Em 2007, Igor Smolyaninov, da Universidade de Maryland, conduziu sua equipe ainda mais longe na estrada da invisibilidade. Incorporando teorias anteriores propostas por Vladimir Shaleav da Purdue University, Smolyaninov construiu um metamaterial capaz de dobrar a luz visível em torno de um objeto.
Com apenas 10 micrômetros de largura, a capa Purdue usa anéis concêntricos de ouro injetados com luz ciano polarizada. Esses anéis direcionam as ondas de luz para longe do objeto oculto, efetivamente tornando-o invisível. Físicos chineses da Universidade de Wuhan levaram este conceito para a faixa audível, propondo a criação de uma capa de invisibilidade acústica capaz de desviar ondas sonoras em torno de um objeto.
Por enquanto, mantos de invisibilidade de metamaterial são um tanto limitados. Eles não são apenas pequenos; eles são limitados a duas dimensões - dificilmente o que você precisa para desaparecer no cenário de uma zona de guerra 3-D. Mais, a capa resultante pesaria mais do que até mesmo um mago adulto poderia esperar carregar. Como resultado, a tecnologia pode ser mais adequada para aplicações como esconder edifícios ou veículos estacionários, como um tanque.
A tecnologia de camuflagem óptica não o tornará invisível para monstros Beholder com vários olhos - ou mesmo para gatos e esquilos vadios. Foto cedida por © Tachi Laboratory, a Universidade de Tóquio Pronto para entrar na moda de camuflagem óptica da velha escola?
Essa tecnologia tira proveito de algo chamado tecnologia de realidade aumentada - um tipo de tecnologia criada pela primeira vez na década de 1960 por Ivan Sutherland e seus alunos na Universidade de Harvard e na Universidade de Utah.
A camuflagem óptica oferece uma experiência semelhante à capa da invisibilidade de Harry Potter, mas usá-lo requer um arranjo ligeiramente complicado. Primeiro, a pessoa que quer ser invisível (vamos chamá-lo de Harry) veste uma vestimenta que lembra uma capa de chuva com capuz. A vestimenta é feita de um material especial que examinaremos mais de perto em um momento.
Próximo, um observador (vamos chamá-lo de Professor Snape) está diante de Harry em um local específico. Nesse local, em vez de ver Harry vestindo uma capa de chuva com capuz, Snape vê através da capa, fazendo Harry parecer invisível. A fotografia acima mostra o que Snape veria. E se Snape desse um passo para o lado e visse Harry de um local ligeiramente diferente? Por que, ele simplesmente veria o menino bruxo vestindo uma vestimenta prateada. Provavelmente, seguir-se-iam carrancudos e detenções. Sorte para Harry, sua capa fictícia oferece proteção de 360 graus.
A camuflagem óptica não funciona como mágica. Funciona tirando proveito de algo chamado tecnologia de realidade aumentada - um tipo de tecnologia lançada pela primeira vez na década de 1960 por Ivan Sutherland e seus alunos na Universidade de Harvard e na Universidade de Utah. Você pode ler mais sobre realidade aumentada em Como funciona a realidade aumentada, mas uma rápida recapitulação será útil aqui.
Os sistemas de realidade aumentada adicionam informações geradas por computador às percepções sensoriais do usuário. Imagine, por exemplo, que você está andando por uma rua da cidade. Conforme você observa os locais ao longo do caminho, informações adicionais aparecem para aprimorar e enriquecer sua visão normal. Talvez sejam os especiais do dia em um restaurante ou os horários de exibição em um teatro ou o horário do ônibus na estação. O que é importante entender é que realidade aumentada não é o mesmo que realidade virtual. Enquanto a realidade virtual visa substituir o mundo, a realidade aumentada apenas tenta complementá-la com conteúdo útil. Pense nisso como um display heads-up (HUD) para a vida cotidiana.
A maioria dos sistemas de realidade aumentada exige que o usuário olhe através de um aparato de visualização especial para ver uma cena do mundo real aprimorada com gráficos sintetizados. Eles também exigem um computador poderoso. A camuflagem óptica também requer essas coisas, mas também necessita de vários outros componentes. Aqui está tudo o que você precisa para fazer uma pessoa parecer invisível:
Na próxima página, examinaremos cada um desses componentes com mais detalhes.
A camuflagem óptica funciona tirando proveito de algo chamado tecnologia de realidade aumentada. Aprenda como funciona e descubra o que há na capa. Tudo bem, então você tem sua câmera de vídeo, computador, projetor, combinador e capa de chuva reflexiva maravilhosa. Como a tecnologia de realidade aumentada transforma essa estranha lista de compras em uma receita para a invisibilidade?
Primeiro, vamos dar uma olhada mais de perto na capa de chuva:ela é feita de material retro-reflexivo. Este tecido de alta tecnologia é coberto com milhares e milhares de pequenas contas. Quando a luz atinge uma dessas contas, os raios de luz voltam exatamente na mesma direção de onde vieram.
Para entender por que isso é único, veja como a luz reflete em outros tipos de superfícies. Uma superfície áspera cria uma reflexão difusa porque os raios de luz incidentes (entrantes) se espalham em muitas direções diferentes. Uma superfície perfeitamente lisa, como o de um espelho, cria o que é conhecido como um reflexão especular - uma reflexão na qual os raios de luz incidentes e os raios de luz refletidos formam exatamente o mesmo ângulo com a superfície do espelho.
Em retro-reflexão, as contas de vidro agem como prismas, dobrando os raios de luz por refração. Isso faz com que os raios de luz refletidos viajem de volta ao longo do mesmo caminho que os raios de luz incidentes. O resultado:um observador situado na fonte de luz recebe mais luz refletida e, portanto, vê um reflexo mais brilhante.
Materiais retro-reflexivos são bastante comuns. Sinais de trânsito, marcadores de estrada e refletores de bicicleta aproveitam a retrorreflexão para serem mais visíveis para as pessoas que dirigem à noite. As telas de cinema encontradas na maioria dos cinemas comerciais modernos também tiram proveito desse material porque ele permite alto brilho em condições de escuridão. Na camuflagem óptica, o uso de material retrorrefletivo é fundamental porque pode ser visto de longe e de fora, sob a luz solar intensa - dois requisitos para a ilusão de invisibilidade.
Como você pode ver nesta imagem, a experiência se assemelha a andar diretamente na frente de uma tela de projeção de filme, apenas com um fundo real. AP Photo / Shizuo Kambayashi Para o resto da configuração, a câmera de vídeo precisa ser posicionada atrás do assunto para capturar o plano de fundo. O computador tira a imagem capturada da câmera de vídeo, calcula a perspectiva apropriada e transforma a imagem capturada na imagem que será projetada no material retrorrefletivo.
O projetor então ilumina a imagem modificada na roupa, iluminando um feixe de luz através de uma abertura controlada por um dispositivo denominado diafragma da íris . Este diafragma é feito de fino, placas opacas, e girar um anel muda o diâmetro da abertura central. Para que a camuflagem óptica funcione corretamente, essa abertura deve ser do tamanho de um furo de alfinete. Porque? Isso garante uma maior profundidade de campo para que a tela (neste caso, a capa) possa ser localizada a qualquer distância do projetor.
Finalmente, o sistema geral requer um espelho especial para refletir a imagem projetada em direção à capa e para permitir que os raios de luz refletidos na capa voltem aos olhos do usuário. Este espelho especial é chamado de divisor de feixe , ou um combinador - um espelho meio prateado que reflete a luz (a metade prateada) e transmite luz (a metade transparente).
Se estiver devidamente posicionado na frente dos olhos do usuário, o combinador permite que o usuário perceba tanto a imagem aprimorada pelo computador quanto a luz do mundo ao redor. Isso é crítico porque a imagem gerada por computador e a cena do mundo real devem ser totalmente integradas para que a ilusão de invisibilidade pareça realista. O usuário tem que olhar por um olho mágico neste espelho para ver a realidade aumentada.
Na próxima página, veremos como todo esse sistema funciona.
Uma maneira de fazer uma pessoa parecer transparente Agora vamos juntar todos esses componentes para ver como a capa da invisibilidade parece tornar uma pessoa transparente. O diagrama abaixo mostra a disposição típica de todos os vários dispositivos e peças de equipamento.
Uma vez que uma pessoa coloca a capa feita com o material retrorrefletivo, aqui está a sequência de eventos:
A pessoa vestindo a capa parece invisível porque a cena de fundo está sendo exibida no material retrorrefletivo. Ao mesmo tempo, raios de luz do resto do mundo podem atingir os olhos do usuário, fazendo parecer que uma pessoa invisível existe em um mundo de aparência normal.
Embora uma capa de invisibilidade seja uma aplicação interessante de camuflagem óptica, provavelmente não é o mais útil. Aprenda sobre alguns aplicativos do mundo real. As palavras "capa da invisibilidade" tendem a evocar imagens de aventuras fantásticas, espionagem mágica e engano sobrenatural. As aplicações reais para camuflagem óptica, Contudo, estão muito menos lá fora. Você pode esquecer de esconder sua nave Romulana ou de ficar no dormitório das bruxas, mas isso não significa que não haja vários usos viáveis para a tecnologia.
Por exemplo, os pilotos que pousam um avião podem usar essa tecnologia para tornar o piso da cabine transparente. Isso permitiria que eles vissem a pista e o trem de pouso simplesmente olhando para o chão (o que mostraria a vista de fora da fuselagem). os motoristas não teriam que lidar com espelhos e pontos cegos. Em vez de, eles podiam apenas "olhar através" de toda a traseira do veículo. A tecnologia ainda possui aplicações potenciais na área médica, já que os cirurgiões podem usar camuflagem óptica para ver através de suas mãos e instrumentos para uma visão desobstruída do tecido subjacente.
Interessantemente suficiente, uma possível aplicação dessa tecnologia gira em torno de tornar os objetos mais visíveis. O conceito é chamado telexistência mútua e essencialmente envolve projetar a aparência de um usuário remoto em um robô revestido com material retrorrefletivo. Digamos que um cirurgião estivesse operando um paciente por meio de cirurgia robótica por controle remoto. A telexistência mútua daria aos médicos humanos que auxiliam no procedimento a percepção de que estão trabalhando com outro ser humano em vez de uma máquina.
Agora mesmo, telexistência mútua é ficção científica, mas os cientistas continuam a expandir os limites da tecnologia. Por exemplo, jogos generalizados já estão se tornando uma realidade. Jogo generalizado estende experiências de jogo para o mundo real, seja nas ruas da cidade ou em áreas remotas. Os jogadores com monitores móveis movem-se pelo mundo enquanto os sensores capturam informações sobre o ambiente, incluindo sua localização. Essas informações fornecem uma experiência de jogo que muda de acordo com onde os usuários estão e o que estão fazendo.
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