Cómo Funcionan Las Capas Invisibles

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Con la tecnología de camuflaje óptico, la capa de invisibilidad es una realidad. Aprende lo que es.

Admitelo. Te encantaría tener una capa de invisibilidad. ¿Dices un paso en falso vergonzoso en una fiesta? Simplemente ponte tu prenda mágica y desaparece de la mirada presumida de tus compañeros de fiesta. ¿Quieres escuchar lo que realmente dice tu jefe sobre ti? Pasee directamente a su oficina y obtenga los bienes.

Tales fantásticos accesorios de moda se han convertido en un estándar ridículo en el mundo de la ciencia ficción y la fantasía. Todos, desde niños magos hasta cazadores de safaris intergalácticos, tienen al menos una blusa invisible en su guardarropa, pero ¿qué hay de nosotros pobres huecos en el mundo real?

Bueno, muggles, la ciencia tiene buenas noticias para ti: las capas invisibles son una realidad. La tecnología dista mucho de ser perfecta, pero si te adentras en nuestra boutique de alta tecnología de prendas que se desvanecen, te guiaremos a través de tus opciones de manto de invisibilidad.

En primer lugar, veremos algunas maravillosas modas de nanotubos de carbono, como resultado de la colección otoño 2011 de UTD NanoTech Institute. Esta nueva tecnología está inspirada en los mismos fenómenos naturales responsables de los espejismos del desierto. Calentado mediante estimulación eléctrica, el fuerte gradiente de temperatura entre la capa y el área circundante provoca un gradiente de temperatura pronunciado que desvía la luz del usuario. El problema: los usuarios deben amar el agua y poder caber dentro de una placa de Petri.

O quizás prefieras algo hecho de metamateriales. Estas pequeñas estructuras son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Si se construyen correctamente, guían los rayos de luz alrededor de un objeto, como una roca que desvía agua en un arroyo. Por ahora, sin embargo, la tecnología solo funciona en dos dimensiones y solo viene en el tamaño ultrapetite de 10 micrómetros de ancho.

Si te gusta más la moda retro, también está la tecnología de camuflaje óptico desarrollada por científicos de la Universidad de Tokio. Este enfoque funciona sobre los mismos principios de la pantalla azul utilizada por los meteorólogos de televisión y los cineastas de Hollywood. Si quieres que la gente vea a través de ti, ¿por qué no filmar lo que hay detrás de ti y proyectarlo en tu cuerpo? Si viajas con un séquito de camarógrafos, esta puede ser la capa para ti.

¿Listo para probar algunas de estas modas en tamaño?

El efecto espejismo: nanotubos de carbono

Aquí vemos el cambio de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCT) de inactivo a activo, desapareciendo de la vista en el proceso.

Aquí vemos el cambio de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCT) de inactivo a activo, desapareciendo de la vista en el proceso.

Primero, probemos esta capa de invisibilidad de nanotubos de carbono en cuanto al tamaño y experimentemos las maravillas del efecto de espejismo.

Probablemente esté más familiarizado con los espejismos de los cuentos de vagabundos del desierto que vislumbran un oasis lejano, solo para descubrir que era solo un espejismo: no era un lago milagroso de agua potable, solo más arena caliente.

La arena caliente es clave para la efecto espejismo (o deflexión fototérmica), como la rígida diferencia de temperatura entre la arena y el aire se dobla, o refracta, los rayos de luz. La refracción oscila los rayos de luz hacia los ojos del espectador en lugar de rebotar en la superficie. En el ejemplo clásico del espejismo del desierto, este efecto hace que aparezca un "charco" de cielo en el suelo, que el cerebro lógico (y sediento) interpreta como un charco de agua. Probablemente haya visto efectos similares en las superficies calientes de las carreteras, con tramos distantes de la carretera que parecen brillar con el agua acumulada.

En 2011, investigadores de la Universidad de Texas en Dallas NanoTech Institute lograron capitalizar este efecto. Utilizaron hojas de nanotubos de carbonHojas de carbono envueltas en tubos cilíndricos [fuente: Aliev et al.]. Cada página es apenas tan gruesa como una sola molécula, pero es tan fuerte como el acero porque los átomos de carbono en cada tubo están unidos de manera increíblemente fuerte. Estas láminas también son excelentes conductores del calor, por lo que son ideales para hacer espejismos.

En el experimento, los investigadores calentaron las láminas eléctricamente, lo que transfirió el calor al área circundante (una placa de petri de agua). Como se puede ver en las fotografías, esto causó que la luz se desviara de la lámina de nanotubos de carbono, ocultando efectivamente cualquier cosa detrás de ella con invisibilidad.

No hace falta decir que no hay muchos lugares en los que se quiera usar un atuendo pequeño y sobrecalentado que deba sumergirse en el agua, pero el experimento demuestra el potencial de dichos materiales. Con el tiempo, la investigación puede permitir no solo las capas de invisibilidad sino también otros dispositivos de curvado de la luz, todos ellos con un práctico interruptor de encendido / apagado.

Metamateriales: Ondas ligeras de flexión

A continuación, vamos a deslizarnos en una capa de invisibilidad hecha de metamateriales.

Metamateriales ofrece una visión más convincente de la tecnología de invisibilidad, sin la necesidad de múltiples proyectores y cámaras. Conceptualizada por primera vez por el físico ruso Victor Veselago en 1967, estas pequeñas estructuras artificiales son más pequeñas que la longitud de onda de la luz (tienen que ser para desviarlas) y exhiben propiedades electromagnéticas negativas que afectan la forma en que un objeto interactúa con los campos electromagnéticos.

Todos los materiales naturales tienen una índice de refracción positivo, y esto dicta cómo las ondas de luz interactúan con ellos. La refractividad proviene en parte de la composición química, pero la estructura interna desempeña un papel aún más importante. Si alteramos la estructura de un material en una escala suficientemente pequeña, podemos cambiar la forma en que refractan las ondas entrantes, incluso forzando un cambio de refracción positiva a negativa.

Recuerda, las imágenes nos llegan a través de ondas de luz. Los sonidos nos llegan a través de las ondas sonoras. Si puede canalizar estas ondas alrededor de un objeto, puede ocultarlo de la vista o del sonido. Imagina un pequeño arroyo.Si metes una bolsita de té llena de tinte rojo en el agua que fluye, su presencia se manifestará río abajo, gracias a la forma en que alteró el tono, el sabor y el olor del agua. Pero, ¿y si pudieras desviar el agua alrededor de la bolsita de té?

En 2006, David Smith de la Universidad de Duke tomó una teoría anterior planteada por el físico teórico inglés John Pendry y la utilizó para crear un metamaterial capaz de distorsionar el flujo de microondas. El tejido metamaterial de Smith consistía en anillos concéntricos que contenían distorsionadores electrónicos de microondas. Cuando se activan, dirigen las microondas de frecuencia específica alrededor de la parte central del material.

Obviamente, los humanos no ven en el espectro de microondas, pero la tecnología demostró que las ondas de energía podrían enrutarse alrededor de un objeto. Imagine una capa que puede desviar la bola de fuego de un niño de tercer grado, moverla alrededor de quien la lleva y permitir que continúe en el otro lado como si su trayectoria la hubiera tomado, sin oposición, directamente a través de la persona en la capa. Ahora, ¿cuánto más de un tramo sería desviar una roca? ¿Una bala?

Los metamateriales de Smith probaron el método. La receta de la invisibilidad está en adaptarla a diferentes olas.

Más sobre los metamateriales a continuación.

La frontera más pequeña

Los metamateriales, una creación de la ciencia, no ocurren naturalmente. Para crear las estructuras de minutos necesarias para redirigir las ondas electromagnéticas, los científicos emplean la nanotecnología. Lea cómo funciona la nanotecnología para aprender todo sobre las máquinas más pequeñas del mundo.

Metamateriales: Tanques Invisibles

Esta imagen óptica muestra los metamateriales de la Universidad de Maryland en acción, alejando las ondas de luz de cada círculo central. Las flechas indican la dirección de las ondas de luz.

Esta imagen óptica muestra los metamateriales de la Universidad de Maryland en acción, alejando las ondas de luz de cada círculo central. Las flechas indican la dirección de las ondas de luz.

En 2007, Igor Smolyaninov, de la Universidad de Maryland, llevó a su equipo aún más lejos hacia la invisibilidad. Incorporando teorías anteriores propuestas por Vladimir Shaleav de la Universidad de Purdue, Smolyaninov construyó un metamaterial capaz de doblar la luz visible alrededor de un objeto.

Con solo 10 micrómetros de ancho, la capa Purdue utiliza anillos de oro concéntricos inyectados con luz cian polarizada. Estos anillos alejan las ondas de luz del objeto oculto y lo hacen invisible. Los físicos chinos de la Universidad de Wuhan han llevado este concepto al rango audible, proponiendo la creación de una capa de invisibilidad acústica capaz de desviar ondas de sonido alrededor de un objeto.

Por el momento, las capas de invisibilidad de metamateriales son algo limitadas. No solo son pequeños; están limitados a dos dimensiones: casi nada de lo que necesitarías para desaparecer en el escenario de una zona de guerra en 3D. Además, la capa resultante pesaría más de lo que incluso un mago adulto podría esperar cargar. Como resultado, la tecnología podría ser más adecuada para aplicaciones como esconder edificios estacionarios o vehículos, como un tanque.

Camuflaje óptico: realidad alterada

La tecnología de camuflaje óptico no te hará invisible para los monstruos de Beholder de ojos múltiples, o incluso para los gatos y las ardillas.

La tecnología de camuflaje óptico no te hará invisible para los monstruos de Beholder de ojos múltiples, o incluso para los gatos y las ardillas.

¿Listo para deslizarse en algunas modas de camuflaje óptico de la vieja escuela?

Esta tecnología se aprovecha de algo que se llama tecnología de realidad aumentada: un tipo de tecnología que fue pionera en la década de 1960 por Ivan Sutherland y sus estudiantes en la Universidad de Harvard y en la Universidad de Utah.

El camuflaje óptico ofrece una experiencia similar a la capa de invisibilidad de Harry Potter, pero su uso requiere un arreglo un poco complicado. Primero, la persona que quiere ser invisible (llamémosle Harry) se pone una prenda que se parece a un impermeable con capucha. La prenda está hecha de un material especial que examinaremos más de cerca en un momento.

A continuación, un observador (llamémoslo Profesor Snape) se encuentra ante Harry en un lugar específico. En ese lugar, en lugar de ver a Harry con un impermeable con capucha, Snape ve a través de la capa, haciendo que Harry parezca invisible. La fotografía de arriba te muestra lo que Snape vería. ¿Y si Snape se hizo a un lado y vio a Harry desde una ubicación ligeramente diferente? Por qué, él simplemente veía al mago con una prenda plateada. Lo más probable es que sigan los ceños y las detenciones Por suerte para Harry, su capa de ficción ofrece una protección de 360 ​​grados.

El camuflaje óptico no funciona a través de la magia. Funciona aprovechando algo llamado. tecnología de realidad aumentada - un tipo de tecnología iniciada por primera vez en la década de 1960 por Ivan Sutherland y sus estudiantes en la Universidad de Harvard y en la Universidad de Utah. Puede leer más sobre la realidad aumentada en Cómo funciona la realidad aumentada, pero un resumen rápido será útil aquí.

Los sistemas de realidad aumentada agregan información generada por computadora a las percepciones sensoriales de un usuario. Imagina, por ejemplo, que estás caminando por una calle de la ciudad. A medida que observa los sitios a lo largo del camino, la información adicional parece mejorar y enriquecer su vista normal. Tal vez sean los especiales del día en un restaurante o los horarios de espectáculos en un teatro o el horario de los autobuses en la estación. Lo que es fundamental entender es que la realidad aumentada no es lo mismo que la realidad virtual. Mientras que la realidad virtual apunta a reemplazar al mundo, la realidad aumentada simplemente trata de complementarlo con contenido adicional y útil. Piense en ello como una pantalla de heads-up (HUD) para la vida cotidiana.

La mayoría de los sistemas de realidad aumentada requieren que un usuario mire a través de un aparato de visualización especial para ver una escena del mundo real mejorada con gráficos sintetizados. También piden una computadora poderosa. El camuflaje óptico requiere estas cosas también, pero también requiere varios otros componentes. Aquí está todo lo necesario para hacer que una persona parezca invisible:

  • Una prenda hecha de material altamente reflectante.
  • una camara de video digital
  • un ordenador
  • un proyector
  • Un espejo especial plateado llamado un combinador.

En la página siguiente, veremos cada uno de estos componentes con mayor detalle.

Camuflaje óptico: Invisibility Cloak Components

El camuflaje óptico funciona aprovechando algo que se llama tecnología de realidad aumentada. Aprende cómo funciona y descubre qué entra la capa.

El camuflaje óptico funciona aprovechando algo que se llama tecnología de realidad aumentada. Aprende cómo funciona y descubre qué entra la capa.

Muy bien, así que tienes tu cámara de video, computadora, proyector, combinador y maravilloso impermeable reflectante. ¿Cómo la tecnología de realidad aumentada convierte esta extraña lista de compras en una receta para la invisibilidad?

Primero, echemos un vistazo más de cerca al impermeable: está hecho de material retrorreflectante. Este tejido de alta tecnología está cubierto con miles y miles de cuentas pequeñas. Cuando la luz incide en una de estas cuentas, los rayos de luz rebotan exactamente en la misma dirección de la que provienen.

Para comprender por qué esto es único, observe cómo la luz se refleja en otros tipos de superficies. Una superficie rugosa crea un reflejo difuso porque los rayos de luz incidentes (entrantes) se dispersan en muchas direcciones diferentes. Una superficie perfectamente lisa, como la de un espejo, crea lo que se conoce como reflexión especular - un reflejo en el que los rayos de luz incidentes y los rayos de luz reflejados forman el mismo ángulo exacto con la superficie del espejo.

En la retro-reflexión, las cuentas de vidrio actúan como prismas, doblando los rayos de luz por refracción. Esto hace que los rayos de luz reflejados viajen de regreso por el mismo camino que los rayos de luz incidentes. El resultado: un observador situado en la fuente de luz recibe más luz reflejada y, por lo tanto, ve un reflejo más brillante.

Los materiales retrorreflectantes son bastante comunes. Las señales de tráfico, los marcadores de carretera y los reflectores de bicicletas aprovechan la retro-reflexión para ser más visibles para las personas que conducen de noche. Las pantallas de cine que se encuentran en la mayoría de los teatros comerciales modernos también aprovechan este material porque permite un alto brillo en condiciones de oscuridad. En el camuflaje óptico, el uso de material retrorreflectante es crítico porque se puede ver desde lejos y afuera a la luz del sol brillante, dos requisitos para la ilusión de invisibilidad.

Camuflaje óptico: más componentes de capa de invisibilidad

Como se puede ver en esta imagen, la experiencia se asemeja mucho a caminar directamente frente a una pantalla de proyección de películas, solo con un fondo real.

Como se puede ver en esta imagen, la experiencia se asemeja mucho a caminar directamente frente a una pantalla de proyección de películas, solo con un fondo real.

Para el resto de la configuración, la cámara de video debe colocarse detrás del sujeto para capturar el fondo. La computadora toma la imagen capturada de la cámara de video, calcula la perspectiva apropiada y transforma la imagen capturada en la imagen que se proyectará en el material retrorreflectante.

El proyector luego ilumina la imagen modificada en la prenda, al iluminar un haz de luz a través de una abertura controlada por un dispositivo llamado diafragma del iris. Este diafragma está hecho de placas delgadas y opacas, y al girar un anillo cambia el diámetro de la abertura central. Para que el camuflaje óptico funcione correctamente, esta abertura debe ser del tamaño de un orificio. ¿Por qué? Esto asegura una mayor profundidad de campo para que la pantalla (en este caso la capa) pueda ubicarse a cualquier distancia del proyector.

Finalmente, el sistema general requiere un espejo especial para reflejar la imagen proyectada hacia la capa y para permitir que los rayos de luz que rebotan en la capa regresen al ojo del usuario. Este espejo especial se llama divisor de haz, o un combinador - un espejo medio plateado que refleja la luz (la mitad plateada) y transmite la luz (la mitad transparente).

Si se coloca correctamente frente al ojo del usuario, el combinador le permite percibir tanto la imagen mejorada por la computadora como la luz del mundo circundante. Esto es crítico porque la imagen generada por computadora y la escena del mundo real deben integrarse completamente para que la ilusión de invisibilidad parezca realista. El usuario tiene que mirar a través de una mirilla en este espejo para ver la realidad aumentada.

En la página siguiente, veremos cómo se integra todo este sistema.

Camuflaje óptico: el completo sistema de invisibilidad

Una forma de hacer que una persona se vea transparente.

Una forma de hacer que una persona se vea transparente.

Ahora pongamos todos estos componentes juntos para ver cómo la capa de invisibilidad parece hacer que una persona sea transparente. El siguiente diagrama muestra la disposición típica de todos los diversos dispositivos y equipos.

Una vez que una persona se pone la capa hecha con el material retrorreflectante, aquí está la secuencia de eventos:

  1. Una cámara de video digital captura la escena detrás de la persona que lleva la capa.
  2. La computadora procesa la imagen capturada y realiza los cálculos necesarios para ajustar la imagen fija o el video para que se vea realista cuando se proyecta.
  3. El proyector recibe la imagen mejorada de la computadora y la ilumina a través de una abertura del tamaño de un orificio en el combinador.
  4. La mitad plateada del espejo, que es completamente reflectante, rebota la imagen proyectada hacia la persona que lleva la capa.
  5. La capa actúa como una pantalla de cine, reflejando la luz directamente a la fuente, que en este caso es el espejo.
  6. Los rayos de luz que rebotan en la capa pasan a través de la parte transparente del espejo y caen sobre los ojos del usuario. Recuerde que los rayos de luz que rebotan en la capa contienen la imagen de la escena que existe detrás de la persona que lleva la capa.

La persona que lleva la capa parece invisible porque la escena de fondo se muestra en el material retrorreflectante. Al mismo tiempo, se permite que los rayos de luz del resto del mundo lleguen a los ojos del usuario, haciendo que parezca que una persona invisible existe en un mundo de aspecto normal.

Camuflaje óptico: aplicaciones de invisibilidad en el mundo real

Si bien una capa de invisibilidad es una aplicación interesante de camuflaje óptico, probablemente no sea la más útil. Aprende sobre algunas aplicaciones del mundo real.

Si bien una capa de invisibilidad es una aplicación interesante de camuflaje óptico, probablemente no sea la más útil.Aprende sobre algunas aplicaciones del mundo real.

Las palabras "capa de invisibilidad" tienden a convocar imágenes de fantásticas aventuras, espionaje mágico y engaños de otro mundo. Sin embargo, las aplicaciones reales para el camuflaje óptico son mucho menos que eso. Puedes olvidarte de esconder tu nave romulana o pasar el rato en el dormitorio de las hechiceras, pero eso no significa que no haya un número de usos viables para la tecnología.

Por ejemplo, los pilotos que aterrizan en un avión podrían usar esta tecnología para hacer transparentes los pisos de las cabinas. Esto les permitiría ver la pista y el tren de aterrizaje simplemente mirando hacia abajo en el piso (que mostraría la vista desde el exterior del fuselaje) De manera similar, los conductores no tendrían que lidiar con espejos y puntos ciegos. En su lugar, podrían simplemente "mirar a través" de la parte trasera del vehículo. La tecnología incluso cuenta con aplicaciones potenciales en el campo médico, ya que los cirujanos podrían usar el camuflaje óptico para ver a través de sus manos e instrumentos para una visión sin obstrucciones del tejido subyacente.

Curiosamente, una posible aplicación de esta tecnología en realidad gira en torno a hacer que los objetos sean más visibles. El concepto se llama telexistencia mutua y, esencialmente, implica proyectar la apariencia de un usuario remoto en un robot recubierto con material retrorreflectante. Digamos que un cirujano estaba operando a un paciente a través de una cirugía robótica a control remoto. La telexistencia mutua proporcionaría a los médicos humanos que asisten al procedimiento la percepción de que están trabajando con otro humano en lugar de con una máquina.

En este momento, la telexistencia mutua es ciencia ficción, pero los científicos continúan ampliando los límites de la tecnología. Por ejemplo, el juego dominante ya se está convirtiendo en una realidad. Juego omnipresente extiende las experiencias de juego al mundo real, ya sea en las calles de la ciudad o en lugares remotos. Los jugadores con pantallas móviles se mueven por el mundo mientras los sensores capturan información sobre su entorno, incluida su ubicación. Esta información ofrece una experiencia de juego que cambia de acuerdo con el lugar donde se encuentran los usuarios y lo que están haciendo.

No desaparezcas sobre nosotros. Tenemos muchos más enlaces para explorar a continuación.


Suplemento De Vídeo: Capa de invisibilidad Cuántica, explicación del truco.




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