لباس نامرئی شما را نامرئی می کند!

باید قبول کنید که شما هم دوست دارید یک شنل نامرئی داشته باشید. فاش شدن یک اشتباه خجالت‌آور در یک میهمانی؟ فقط کافی است تا جامه‌ی جادویی خود را بپوشید و از نگاه‌های تحقیر آمیز مهمان‌ها ناپدید شوید. می‌خواهید بشنوید که واقعا رئیستان درباره‌ی شما چه می‌گوید؟ به راحتی در دفتر او پرسه بزنید و چیزهای بدرد بخوری بدست می‌آورید. چنین ابزار مد اعجاب انگیزی به طور مضحکی در دنیای علمی تخیلی و فانتزی به صورت استاندارد در آمده است. هر کسی از جادوگران تا شکارچیان صحراهای بین کهکشانی، حداقل یک پیراهن نامرئی در لباس‌های خود دارند، ولی درباره‌ی ما، انسان‌های ضعیف در دنیای واقعی چطور؟

خب، انسان‌های عادی، علم خبرهای خوبی برای شما دارد: شنل‌های نامرئی واقعی هستند. این فناوری تا تکمیل فاصله دارد اما اگر شما به فروشگاه مدرن لباس‌های غیب شونده‌ی ما قدم بگزارید، ما شما را به سمت گزینه‌های شنل‌های نامرئی راهنمایی می‌کنیم.

در ابتدا، نگاهی می‌اندازیم به بعضی از مدهای شگرف نانوتیوب کربنی_که تازه از مجموعه موسسه UTD NanoTech در پاییز 2011 بدست آمده است. این فناوری جدید متاثر از پدیده‌ی طبیعی مسبب ایجاد سراب در صحرا هست. این لباس توسط محرک الکتریکی گرم می‌شود، گرادیان (شیب) دمای تیز میان شنل و محیط اطراف سبب ایجاد یک سراشیبی دمایی می‌شود که با خم کردن نور آن را از پوشنده لباس دور می‌کند. شرط: پوشنده‌های لباس مجبورند عاشق آب باشند و بتوانند درون یک petri dish (ظرف کوچک مخصوص کشت میکروب) جا بشوند.

شاید شما چیزی را ترجیح می‌دهید که از فرامواد (metamaterials) درست شده باشد. این ساختارهای کوچک، کوچکتر از طول موج نور هستند. اگر به درستی ساخته شوند، امواج نور را اطراف یک شی راهنمایی می‌کنند، بیشتر مانند سنگی که آب جاری را منحرف می‌کند. برای الان، البته این فناوری تنها در دو بعد کار می‌کند و فقط در اندازه‌های خیلی کوچک 10 میکرومتر تولید می‌شوند.

اگر شما بیشتر به مد قدیمی علاقه دارید، فناوری استتار نوری نیز که توسط دانشمندان در دانشگاه توکیو تولید شده‌اند وجود دارند. این روش بر اساس همان قواعد پرده‌ی آبی (blue screen) که در تلویزیون در بخش پیش‌بینی هوا و همچنین فیلمسازی کاربرد دارد، کار می‌کند. اگر می‌خواهید که مردم آن طرف بدن شما را ببینند چرا از آنچه آن طرف بدنتان وجود دارد فیلم نگیرید و آن را روی بدنتان نمایش ندهید؟ اگر شما با همراهی ویدیوگراف‌ها (videographs) سفر می‌کنید، این می‌تواند شنل نامرئی شما باشد.

آماده‌اید تا بعضی از این لباس‌ها را امتحان کنید؟

پدیده‌ی سراب: نانوتیوب‌های کربنی

بیایید ابتدا این شنل نامرئی نانوتیوب کربنی را امتحان کنیم و شگفتی‌های پدیده سراب را تجربه کنیم شما احتمالا بیشترتان با سراب‌ها از داستان‌ها‌ی آواره‌های صحرا که نگاهی زودگذر به یک آبادی کویری داشته‌اند تنها برای اینکه دریابند که آن تنها یک سراب بوده است، آشنا هستید.

شن داغ نکته‌ی کلیدی پدیده‌ی سراب (یا خمیدگی فوتوترمال=photothermal deflection) است، زیرا تفاوت مستقیم دمای شن و هوا، امواج نور را خم می‌کند یا می‌شکند. این انکسار اشعات نور را به جای هدایت کردن به زمین به بالای چشم‌های بیننده منتقل می‌کند. یک مثال کلاسیک از سراب صحرایی این هست که این پدیده یک گودال از آسمان را روی زمین ایجاد می‌کند که ذهن منطقی (و تشنه) آن را به عنوان یک استخر آب تفسیر می‌کند. شما احتمالا چنین پدیده‌ی مشابهی را بر روی سطح داغ خیابان، همراه با سوسو زدن خط ممتد جاده همراه با گودال آب دیده‌اید.

در سال 2011، محققان در دانشگاه تگزاس در موسسه Dallas NanoTech تصمیم گرفتند از این پدیده استفاده کنند. آن‌ها از نانوتیوب‌های کربنی استفاده کردند، صفحات کربن درون تیوب‌های استوانه‌ای شکل، پیچیده شدند. هرصفحه به سختی به ضخامت یک مولکول است، البته به همان سختی فلزات زیرا اتم‌های کربن در هر تیوب به طور شگفت انگیزی محکم به هم متصل شده‌اند، این صفحات همچنین رساناهای بسیاز خوب گرما هستند که آن‌ها را برای تولید سراب ایده‌آل می‌کند.

در آزمایش، محققان به صورت الکتریکی صفحات را گرم کردند، که باعث شد گرما به محیط اطراف (یک petri dish از آب) منتقل شود. همان طور که از تصاویر می‌توانید ببینید، این امر سبب می‌شود که نور از اطراف صفحات نانوتیوب کربنی با خم شدن دور شود، که به صورت مؤثر هر چیزی که پشت آن است را توسط نامریی بودن پوشش می‌دهد.

نیاز به گفتن نیست، مکان‌های بسیاری نیست که شما بخواهید یک لباس کوچک بسیار داغ را که باید در آب شناور باشد بپوشید؛ ولی آزمایش، پتانسیل چنین موادی را نمایش می‌دهد. در طول زمان، تحقیق نه تنها شنل‌های نامرئی بلکه تجهیزات دیگر با قابلیت خم کردن نور را که همه‌ی آن‌ها دارای کلید روشن/خاموش هستند را ممکن می‌سازد.

فرامواد، خم شدن امواج نور

بیایید شنلی نامرئی که از فرامواد ساخته شده است را در نظر بگیریم. فرامواد، چشم‌انداز قانع کننده‌تری از تکنولوژی نامرئی، بدون استفاده از پروژکتورها و دوربین‌ها ارائه می‌دهند. فرامواد، که مفهوم آن برای اولین بار در سال 1967 توسط Victor Veselago فیزیکدان روسی مطرح شد، ساختارهای مصنوعی بسیار ریزی هستند که از طول موج نور هم کوچکتر بوده (برای ایجاد انحراف در مسیر امواج نور) و دارای خواص الکترومغناطیسی منفی می‌باشند که بر جهت‌گیری آن‌ها در میدان‌های مغناطیسی تاثیر می‌گذارد.

مواد طبیعی، همه دارای ضریب شکست مثبت هستند که این ضریب تعیین کننده‌ی چگونگی برهم‌کنش امواج نور با آن‌ها است.

اگر ساختار ماده‌ای را به اندازه‌ی کافی کوچک کنیم، می‌توان نحوه‌ی انکسار امواج ورودی را تغییر داد تا جایی که می‌توان انکسار مثبت را به منفی تبدیل کرد.

به خاطر داشته باشید که تصاویر و صداها به ترتیب توسط امواج نوری و امواج صوتی به ما می‌رسند. اگر کاری کنیم که این امواج شی را دور بزنند، توانستیم آن را از دیده یا شنیده شدن پنهان کنیم. یک جریان کوچک را تصور کنید، اگر کیسه‌ای پر از رنگ قرمز در جریان قرار دهیم، با توجه به تغییر رنگ، طعم و بوی آب متوجه خواهید شد که رنگ قرمز در حقیقت در جریان پخش شده است. حال اگر بتوانید جریان آب را از اطراف کیسه بگذرانید چه؟

در سال 2006، David Smith از دانشگاه Duke، با استفاده از نظریه‌ی از پیش مطرح شده John Pendry، فیزیکدان نظری اهل انگلیس، فراماده‌ای ساخت که قابلیت منحرف کردن جریان پرتو میکرو ویو (ریز موج) را دارد.

این محصول فراماده متشکل بود از حلقه‌های متحد المرکز که دارای منحرف کننده‌های میکرو ویو الکتریکی هستند.

روشن است میکرو ویو در طیف بینایی انسان جایی ندارد، اما تکنولوژی نشان داده است که امواج انرژی می‌توانند در اطراف یک ماده منحرف شوند.

تصور کنید که یک لباس می‌تواند کاغذ مچاله شده‌‌ی پرت شده توسط یک کلاس سومی را منحرف کند و آن را دور فرد بچرخاند طوری که گویی خط سیرش فرد را در بر بگیرد؟!

حال چقدر کشش لازم است تا یک سنگ یا یک فشنگ را منحرف کرد؟

فرامواد مورد نظر Smith درستی این روش را ثابت کرده‌اند. راه رسیدن به نامرئی شدن منوط به آن است که بتوان آن را با امواج مختلف تطبیق داد.

فرامواد: مخازن نامرئی

در سال 2007، Igor Smolyaninov به همراه تیمش از دانشگاه مریلند در زمینه نامرئی شدن به پیشرفت‌های بسیاری دست یافت. به کمک نظریه‌های از پیش مطرح شده‌ی Vladimir Shaleav از دانشگاه پردو (Perdue)، Smolyaninov فراماده‌ای ساخت که قادر به خمش نور مرئی اطراف یک شی شد. تنها پهنای 10 میکرو متر، شنل دانشگاه پردو متشکل از حلقه‌های طلایی متحدالمرکزی است که توسط نور فیروزه‌ای قطبی افشانده شده است. این حلقه‌ها امواج نور ورودی را به دور از شی پوشیده هدایت می‌کنند و به طور موثر (در نهایت) باعث نامرئی شدن آن می‌شوند. فیزیک‌دانان چینی دانشگاه Wuhon این مفهوم را وارد محدوده‌ی شنوایی کرده‌اند. این کار با ساخت پوشش ناپدیدی صدایی (acoustic invisibility cloak) قادر به منحرف کردن امواج صوتی از اطراف شی امکان پذیر است.

در حال حاضر شنل‌های نامرئی ساخته شده از فرامواد به نوعی محدود هستند. علاوه بر این که بسیار کوچک می‌باشند، محدود به 2 بعد نیز هستند. پس برای ناپدید شدن در یک منطقه جنگی 3 بعدی به هیچ وجه مناسب نیست!

همچنین شنل حاصل وزنی بیشتر از آن دارد که حتی یک جادوگر تمام بتواند شنل را جابه‌جا کند!!! در نتیجه این تکنولوژی بهتر است برای مخفی کردن ساختمان‌ها یا وسایل نقلیه مانند تانک به کار برود!

استتار نوری: واقعیت تغییر یافته

این تکنولوژی از مزایای تکنولوژی واقعیت بزرگ شده (augmented-reality) بهره می‌برد. تکنولوژی که برای اولین بار در سال 1960 توسط Ivan Sutterland و دانشجویانش در دانشگاه‌های هاروارد و اوتا، پایه‌ریزی شد. استتار نوری تجربه‌ای همانند شنل نامرئی هری پاتر ارائه می‌دهد با این تفاوت که استفاده از آن مستلزم آرایش پیچیده‌ای می‌باشد. ابتدا شخصی که می‌خواهد نامرئی باشد (فرض کنیم اسم او هری است) لباسی مانند یک بارانی کلاهدار می‌پوشد. این لباس از ماده‌ای خاص ساخته شده که بعدا بررسی خواهیم کرد.

 

سپس یک ناظر (برای مثال پروفسور اسنیپ!) در یک موقعیت مخصوص روبروی هری می‌ایستد، حال در آن مکان به جای دیدن هری با بارانی کلاهدار، اسنیپ دقیقا از میان شنل می‌بیند که باعث می‌شود هری نامرئی به نظر آید! حال اگر اسنیپ، هری را از مکان دیگری ببیند (از زاویه‌ی دیگری به هری نگاه کند)؟ مسلما او پسرک جادوگر را می‌بیند که شنلی نقره‌ای به تن دارد! خوشبختانه شنل تخیلی هری از همه‌ی زوایا نامرئی دیده می‌شود!

استتار نوری از طریق سحر و جادو کار نمی‌کند.

سیستم‌های واقعیت بزرگ شده اطلاعات کامپیوتری را به ادراک حسی کاربر اضافه می‌کنند. تصور کنید که در پیاده روی یک شهر در حال قدم زدن هستید، همان‌طور که به مناظر در طول مسیر نگاه می‌کنید، اطلاعات اضافی نیز وارد دید شما می‌شوند. این اطلاعات می‌تواند مثل یک روز خاص در رستوران، زمان‌های نمایش در تئاتر و یا برنامه اتوبوس در ایستگاه باشد. آنچه مهم است درک تفاوت واقعیت مجازی و واقعیت بزرگ شده می‌باشد. در حالی که واقعیت مجازی سعی در جایگزینی دنیا دارد، واقعیت بزرگ شده صرفا تلاش می‌کند تا آن را با مطالب مفید کامل‌تر کند. می‌توان آن را مانند صفحه نمایش سر بالا (HUD) برای زندگی روزمره دانست.

اکثر سیستم‌های واقعیت بزرگ شده به یک ناظر نیاز دارد تا از طریق یک دستگاه مشاهده مخصوص، صحنه‌ی دنیای واقعی را که توسط گرافیک ساختگی تقویت شده ببیند. این کار، همچنین به کامپیوتری قوی نیاز دارد. علاوه بر این‌ها، استتار نوری مستلزم استفاده از اجزاء متعدد دیگری هم است که عبارتند از:

-         لباس ساخته شده از مواد بسیار بازتابنده (صیقلی)

-         دوربین فیلم برداری دیجیتال

-         کامپیوتر

-         پروژکتور

-         آینه نیمه نقره به نام ترکیب کننده (combiner)

در ادامه موارد بالا را با جزئیات بررسی خواهیم کرد پس با ما همراه باشید...

استتار نوری: اجزای شنل نامرئی

 

بسیار خب! شما دوربین فیلم برداری، کامپیوتر، پروژکتور، ترکیب کننده و بارانی صیقلی شگفت انگیزتان را دارید. اما چگونه واقعیت بزرگ شده از این وسایل برای نامرئی شدن استفاده می‌کند؟!

ابتدا، بیایید از نزدیک نگاهی به بارانی بیاندازیم: بارانی از مواد بازتابنده ساخته شده. این مواد با تکنولوژی بالا توسط هزاران دانه‌ی ریز پوشیده شده است. هنگامی که نور به یکی از این دانه‌ها برخورد کند، پرتوهای نور دقیقا در همان مسیر قبلی بازتابیده می‌شوند.

برای این که بفهمیم چرا این مسئله منحصر به فرد است باید بازتاب نور از سطوح دیگر را بررسی کنیم. یک سطح ناصاف بازتابی پراکنده ایجاد می‌کند چون پرتوهای ورودی نور در جهات مختلف پراکنده می‌شوند. یک سطح کاملا هموار (صاف) مانند آینه بازتابی ایجاد می‌کند که در آن زاویه تابش با زاویه بازتابش برابر است. در پس بازتابیدن، مهره‌های شیشه‌ای مانند منشور عمل می‌کنند، یعنی پرتوهای نور را خم می‌کنند. این باعث می‌شود تا نورهای بازتابیده شده در همان مسیر نورهای تابیده شده برگردند. نتیجه این که ناظری که در منبع نور قرار دارد نور بازتابیده شده‌ی بیشتری را مشاهده می‌کند پس جسم را روشن‌تر می‌بیند.

مواد پس بازتابگر بسیار معمول هستند. در ساخت علائم راهنمایی و رانندگی، خطوط جاده و بازتابنده‌های دوچرخه همه از مواد پس بازتابگر استفاده شده تا برای افراده که در شب رانندگس می‌کنند نمایان‌تر باشد. همچنین از این مواد برای درخشندگی بیشتر پرده‌های فیلم تئاترهای مدرن تجاری استفاده می‌شود. در استتار نوری به کارگیری این مواد حیاتی است چون دو لازمه‌ی نامرئی به نظر آمدن اجسام (نامرئی شدن اجسام) را داراست، یعنی از دور و در نور شدید خورشید قابل رویت است.

استتار نوری: دیگر اجزای شنل نامرئی

برای بقیه کار، دوربین فیلم برداری برای ضبط پس زمینه باید پشت جسم قرار گیرد. کامپیوتر، تصاویر ضبط شده از دوربین را دریافت می‌کند، دورنمای مناسب را محاسبه کرده و تصویر ضبظ شده را به طرحی تبدیل می‌کند که بر روی ماده پس بازتابگر انداخته خواهد شد. پروژکتور سپس تصاویر اصلاح شده را با تاباندن پرتو نور از سوراخی که توسط دیافرگم عنبیه کنترل می‌شود، بر روی لباس می‌اندازد.

این دریچه از صفحات ماتی تشکیل شده و حلقه‌هایی را می‌چرخاند که قطر سوراخ مرکزی را تغییر می‌دهد. برای این که استتار نوری به خوبی کار کند این سوراخ باید به اندازه ته سنجاق باشد (سرسوزن!). این، عمق بزرگی از میدان را تامین می‌کند تا صفحه بتواند (در اینجا شنل نامرئی) در هر فاصله دلخواه از پروژکتور قرار بگیرد.

در نهایت کل سیستم نیازمند آینه‌ی مخصوصی است تا هم تصاویر را به سمت شنل بازتاب کند و هم اجازه دهد تا پرتوهای نور از شنل پرتاب شده (بازتاب شده) و به چشم ناظر بازگردند. این آینه مخصوص که پرتو شکاف یا ترکیب کننده نام دارد، آینه‌ای نیمه نقره است که هم نور را بازتاب می‌کند (قسمت پشت نقره) و هم نور را عبور می‌دهد (قسمت شفاف).

ترکیب کننده (پرتو شکاف) اگر به طور مناسب در برابر چشم ناظر قرار داده شود، این امکان را برای ناظر فراهم می‌کند تا هم تصویر کامپیوتر و هم پرتوهای نور محیط اطراف را دریافت کند. این مساله حیاتی است زیرا تصاویر تولید شده بوسیله کامپیوتر و منظره دنیای واقعی (اطراف) باید کاملا یکپارچه باشند تا نامرئی شدن به واقعیت نزدیکتر شود!

استتار نوری: سیستم نامرئی کامل

حالا تمامی این اجزا را در کنار هم قرار می‌دهیم تا ببینیم که چگونه یک شنل نامرئی یک شخص را نامرئی می‌کند. تصویر زیر یک آرایش ساده از تمامی دستگاه‌ها و قطعات مختلف را نشان می‌دهد. زمانیکه یک شخص شنلی که توسط مواد بازتابنده ساخته شده را می‌پوشد، سلسله اتفاقات زیر به وقوع می‌پیوندد: 1. یک دوربین تصویر برداری دیجیتالی تصویر پشت شخص پوشنده‌ی شنل را ضبط می‌کند. 2. کامپیوتر تصویر ضبط شده را پردازش می‌کندو محاسبات لازم را برای تطابق تصویر ثابت یا ویدئو انجام می‌دهد بنابراین زمانیکه تصویر تابش می‌شود واقعی به نظر می‌رسد.

3. پروژکتور تصویر تقویت شده را از کامپیوتر دریافت می‌کند و تصویر را از درون یک دریچه‌ به اندازه‌ی سرسوزن به ترکیب کننده تابش می‌کند.

4. نیمه‌ی نقره‌ای آینه که کاملا بازتابگر است، تصویر تابش شده را به سمت شخص پوشنده‌ی شنل بازتاب می‌کند.

5. شنل مانند یک پرده‌ی فیلم عمل می‌کند، نور را مستقیما به منبع باز می‌گرداند که در اینجا همان آینه است.

6. پرتوهای نور بازتاب شده از شنل از قسمت شفاف آینه عبور کرده و به چشمان بیننده می‌رسندو به یاد داشته باشید که پرتوهای نور بازتاب شده از شنل در بردارنده‌ی تصویر صحنه‌ای هستند که در پشت فرد پوشنده‌ی شنل وجود دارد.

شخص پوشنده‌ی شنل ناپدید می‌شود زیرا تصویر پیش زمینه روی ماده بازتابنده نمایش داده می‌شود. در همین زمان، پرتوهای نور محیط اطراف نیز به چشم بیننده می‌رسند و باعث می‌شود که تصور شود گویی یک شخص نامرئی از دیدی دیگر در محیط معمولی اطراف وجود دارد.

استتار نوری: کاربردهای نامرئی بودن در دنیای واقعی

به نظر می‌رسد که کلمه شنل نامرئی تصاویری از ماجراهای خیالی، جاسوسی‌های جادویی و حیله‌های دنیای خیالی را تداعی کند. کاربرد واقعی برای استتار نوری، البته در دنیای واقعی خیلی کمتر هستند. شما می‌توانید مخفی کردن سفینه فضایی خود یا گشت و گذار در اتاق‌های محرمانه را فراموش کنید، ولی این بدان معنا نیست که استفاده‌هایی قابل توجه برای این فناوری وجود ندارد. برای مثال، خلبان‌های یک هواپیما می‌توانند از این فناوری استفاده کند تا زمین کابین خلبان نامرئی شود. این امر می‌تواند این امکان را برای‌ ‌آن‌ها ایجاد کند تا باند فرودگاه و عراده هواپیما را به راحتی با نگاهی سریع به کف اتاق (که نمایی از خارج بدنه‌ی هواپیما نشان می‌دهد) ببینند. به طور مشابه، راننده‌ها دیگر لازم نیست با آینه‌ها و نقاط کور سرو کله بزنند. در عوض، می‌توانند تنها به قسمت عقب ماشین نگاه کنند. این فناوری حتی ادعا می‌کند که ظرفیت کاربرد در زمینه پزشکی را نیز دارد، به این صورت که جراحان می‌توانند از استتار نوری برای دیدن آن سوی دستان و وسایلشان استفاده کنند تا دیدی بدون مانع از بافت قرار گرفته در زیر این وسایل داشته باشند.

جالب است بدانید که یکی از کاربردهای محتمل این فناوری مرئی کردن بیشتر اشیا است! این مفهوم Mutual Telexistance (موجودیت دوطرفه از راه دور) خوانده می‌شود و ضرورتا شامل تابش ظاهر کاربر از راه دور بر روی یک ربات پوشیده شده با ماده‌ی بازتابنده می‌باشد. برای مثال می‌توانیم کاربر را یک جراح در حال عمل یک بیمار از طریق ربات در نظر بگیریم. mutual telexistance دور این امکان را فراهم می‌کند که دکترهایی که در حال کمک به انجام یک عمل هستند این حس را داشته باشند که در حال کار با یک انسان هستند به جای یک ماشین.

در حال حاضر، mutual telexistance در مرحله‌ی تخیل علمی قرار دارد ولی دانشمندان در حال تلاش برای افزایش مرزهای فناوری هستند. برای مثال، بازی‌های فراگیرنده در حال تبدیل شدن به یک واقعیت هستند. بازی‌های فراگیرنده (pervasive gaming) تجربه‌ی بازی کردن را به دنیای واقعی چه درون خیابان‌های یک شهر چه در مناطق دور افتاده‌‌ی صحرایی توسعه داده‌اند. بازکنان همراه با نمایشگرهای حامل به درون دنیا حرکت می‌کنند در حالیکه حسگرها اطلاعات محیط پیرامونشان را که شامل موقعیت آن‌ها می‌شود ضبط می‌کنند. این اطلاعات تجربه‌ای از بازی کردن را ایجاد می‌کند که با توجه به مکان کاربر و کاری که در حال انجام است تغییر می‌کند.