Видящая ткань строит картинку без классической оптики
Обычно для получения изображения, помимо чувствительного элемента, нужен объектив. И если мы хотим незаметно встроить камеру в одежду, нам только и остаётся, что уменьшать размер матрицы и оптики. Однако, американские учёные показали, что возможен прямо противоположный и несколько парадоксальный путь: нужно увеличить фотоаппарат до размеров одежды.
Долой сложную оптику — нужно сделать так, чтобы сенсорной системой, воспринимающей изображение окружающих вещей, стала сама ткань. И никаких тяжёлых и громоздких объективов, никаких линз и фокусировки, — такую цель поставили перед собой учёные и блестяще её достигли.
Прообраз совершенно фантастической вещицы построили недавно Йоэль Финк () и члены его исследовательской группы фотонных волокон и устройств () Массачусетского технологического института.
Они продемонстрировали на опыте, что плоский кусок ткани, площадью 0,1 квадратных метра, способен без всяких оптических приспособлений увидеть демонстрируемый ему предмет (изображение смайлика) и передать эту информацию на компьютер.
Разумеется, секрет новинки — в необычных волокнах ткани, способных воспринимать свет и генерировать электрический сигнал. Но если бы учёные просто создали светочувствительные нити, из них получилась бы гибкая солнечная батарея, а никак не гибкая камера без линз. А значит — устройство волокон не такое уж и простое.
Вот как их получали. Сначала исследователи создавали заготовку — прозрачный полимерный цилиндр диаметром 25 миллиметров. Цилиндр этот обладал слоёной структурой.
Внутри него скрывались два концентрических кольца из фоточувствительных материалов (это были очень тонкие слои из полупроводникового стекла), разделённых изолятором. Кольца эти, в свою очередь, были дополнены металлическими проводниками, лежащими вдоль оси цилиндра.
Проводков таких было заложено по четыре на каждый слой, а всего — восемь. Между ними, соответственно, образовывались восемь датчиков света, вытянутых вдоль цилиндра и равномерно размещённых по его окружности.
Затем заготовку нагревали и медленно, очень аккуратно вытягивали до тех пор, пока диаметр цилиндра не уменьшался до нескольких сотен микрометров (меньше миллиметра). Так получалось длинное волокно, из которого экспериментаторы и сплели кусочек своей чудо ткани.
Данный процесс вытягивания схож с тем, что применяют при создании обычных оптических волокон, но здесь необходимо было следить, чтобы в процессе растяжения сохранялось правильно положение фоточувствительных участков и сигнальных проводников.
А это было непросто: отдельные элементы финальной системы уменьшались до размеров в 100 нанометров. К тому же учёным требовалось подобрать и для фотослоёв, и для проводников, и для прозрачного изолятора материалы, в достаточной мере размягчающиеся при одной и той же температуре, дабы при растяжении заготовки не нарушалась целостность конструкции.
Поскольку оптические свойства полимера и толщина всех слоёв такой нити были точно известны, ток с внутренних светочувствительных "лент" позволил учёным определять энергию пойманных фотонов, а разница в уровне сигнала с внешних проводников, расположенных по окружности, говорила о направлении, упавшего на ткань луча.
Но одно такое волокно ещё не могло работать камерой. Главный автор этого устройства, участник группы Финка, — Фабьен Сорен (Fabien Sorin) — создал из 72-х отрезков таких волокон сетку 36 х 36. Так и получилась собственно ткань-камера.
Сотни проводков (протянутых от конца каждого волокна) были присоединены к усилителю и далее — к компьютеру, получившему оригинальную программу расшифровки сигналов, выдаваемых тканью.
Для съёмки смайлика учёные использовали два раздельных источника монохромного света. Свет с определённой длиной волны порождал в ткани специфическую картину пространственного распределения электрических сигналов. А поскольку волокна образовывали решётку, программа могла по данным двух таких монохромных "кадров" реконструировать чёрно-белое изображение предмета, облик которого был запечатлён тканью.
(Детали работы камеры можно найти в в Nano Letters.)
Интересно, что Финк и его коллеги ещё в 2006 году проводили эксперименты со светочувствительными волокнами и экзотическими всенаправленными системами восприятия изображений. Но видящую ткань сами авторы именуют крупным шагом вперёд.
"Это первый случай, когда кто-нибудь показал, что одна плоскость из волокон, может собирать образы так же, как и камера, но без линзы, — заявил Финк, — Эта работа представляет собой новый подход к системам видения и визуализации".
Дальнейшие перспективы выглядят ещё фантастичнее. Сорен говорит, что группа намерена увеличить число слоёв (и, соответственно, светочувствительных полос) внутри одного волокна.
Правда для этого ещё предстоит выяснить — сколько именно слоёв можно добавить, избегая дефектов при изготовлении довольно тонкой нити. И не менее важно узнать — какова получится предельная скорость растягивания заготовки и максимальная длина одного волокна? Эти параметры влияют на темп производства ткани.
Если это удастся, ткань-камеру можно превратить из чёрно-белой в цветную. И пусть пока картинка, формируемая такой системой, не особо чёткая, в будущем и разрешение, и чувствительность можно будет поднять.
А отсюда прямая дорога к видящей форме солдат, передающей на крошечный экран перед глазами рядового (или офицера), к примеру, широкую панораму местности, получаемую плечами и спиной непосредственно кителя. Другой вариант применения будущей ткани — гибкие складные телескопы и всяческие оптические системы для специальной съёмки, рассуждают исследователи.
Их достижение высоко оценил профессор из Корнелла Хуан Хинестроза (), сам занимающийся как-раз совмещением нано— и текстильных технологий (он нам знаком по участию в создании платьев, сражающихся с опасностями города, а ещё — инопланетян-волокон, борющихся с подделками).
Хинестроза отмечает, что по аналогичному принципу в ткань можно встроить сенсоры температуры, движения или наличия определённых газов, дополнив тем самым возможности не только полевой формы, но открыв целое направление в интегрированных и комбинированных устройствах. И, что важно, таким расширением технологии своих "умных" волокон группа Финка уже занимается.
Несомненным преимуществом новой техники восприятия изображений является не только лёгкость и простота детектора, но и его высокая стойкость к повреждениям или частичному перекрытию поля зрения.
В отличие от традиционной системы с объективом и крошечной матрицей, видящая ткань способна передавать картинку даже при разрыве части волокон или в ситуации, когда фрагмент поверхности перекрыт какой-либо помехой (или просто — заляпан грязью).
И чем больший размер будет у такой ткани — тем лучше. В то время как рост размера фото— или видеокамеры традиционной конструкции ставит крест на мобильности и незаметности устройства.
Интересно, что аналогичная технология производства оптических волокон со сложной внутренней структурой (в частности, с несколькими сверхтонкими слоями из материалов с разными оптическими свойствами, окружающими пустотелую сердцевину), позволила некогда Финку и его последователям создать гибкий оптоволоконный скальпель на основе недорогого и мощного углекислотного лазера (его излучение, к тому же, очень хорошо поглощается живыми тканями в силу специфической частоты).
С классическим монолитным оптоволокном, использующим эффект полного внутреннего отражения, не удавалось провести к месту операции луч достаточной мощности. Либо волокно получалось толстым и почти не гнулось, либо тонкое волокно просто плавилось от потока излучения.
А ведь нужно было ещё сделать пятно от лазера достаточно маленьким и обеспечить свободу движений рук хирурга. Волокно же, придуманное Финком (оно получило название BeamPath), с пустотой в центре и покрывающим её стенки изнутри "идеальным зеркальным слоем", позволило провернуть такой трюк.
В 2003-м была создана компания (Финк стал её исполнительным директором), которая занялась поставкой на рынок таких необычных скальпелей. А ныне с их помощью выполнено более 8 тысяч операций.
На днях же появились предклинических тестов нейрохирургического варианта лазера OmniGuide BeamPath, показывающие, что система позволяет медикам действовать с высокой точностью и минимальным повреждением соседних тканей.
Опыт OmniGuide показывает, что идеи, родившиеся в научной группе Йоэля, вполне способны превращаться в коммерческий продукт. Так что есть надежда и на появление через несколько лет серийных курток-фотокамер или аналогичных рубашек да платьев.
Blue Origin Безоса хочет построить больше ракет для удовлетворения спроса на космический туризм
