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Cómo funcionan las capas de invisibilidad

Cómo funcionan las capas de invisibilidad
Satisfacer
  1. El efecto Mirage: nanotubos de carbono
  2. Metamateriales: curvatura de ondas luminosas
  3. Metamateriales: reservorios invisibles
  4. Camuflaje óptico: realidad alterada
  5. Camuflaje óptico: componentes de la capa de invisibilidad
  6. Camuflaje óptico: no más componentes de capa de invisibilidad
  7. Camuflaje óptico: el sistema de invisibilidad completo
  8. Camuflaje óptico: aplicaciones de invisibilidad en el mundo real

El efecto Mirage: nanotubos de carbono

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

Foto cortesía de Aliev A et al. Nanotecnología 2011

Primero, probemos esta tapa de invisibilidad de nanotubos de carbono para ver su tamaño y experimentar las maravillas del efecto espejismo.

Probablemente esté más familiarizado con los espejismos que con las historias de vagabundos del desierto que vislumbran un oasis distante, solo para descubrir que era solo un espejismo, no un lago milagroso de agua potable, solo arena tibia.

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

En 2011, investigadores de la Universidad de Texas en el Dallas NanoTech Institute pudieron aprovechar este efecto. Usaron hojas de nanotubos de carbon, láminas de carbono envueltas en tubos cilíndricos [source: Aliev et al.]. Cada página tiene el grosor de una sola molécula, pero es tan fuerte como el acero porque los átomos de carbono de cada tubo están increíblemente conectados. Estas láminas también son excelentes conductoras de calor, lo que las hace ideales para los fabricantes de dulces.

En el experimento, los investigadores calentaron las hojas eléctricamente, lo que transfirió calor al área circundante (una placa de Petri llena de agua). Como puede ver en las fotos, esto provocó que la luz se desviara de la hoja de nanotubos de carbono, enmascarando todo lo que estaba detrás de ella de manera invisible.

No hace falta decir que no hay muchos lugares donde le gustaría usar un traje minúsculo y sobrecalentado que deba sumergirse en agua, pero la experiencia demuestra el potencial de estos materiales. Con el tiempo, la investigación pudo habilitar no solo capas de invisibilidad, sino también otros dispositivos plegables ligeros, todos con un práctico botón de encendido / apagado.

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Metamateriales: curvatura de ondas luminosas

Entonces, caemos en un manto de invisibilidad del metamaterial.

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

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Todos los materiales naturales tienen índice de refracción positivoy eso determina cómo interactúan las ondas de luz con ellos. Parte de la refracción proviene de la composición química, pero la estructura interna juega un papel aún más importante. Si cambiamos la estructura de un material en una escala lo suficientemente pequeña, podemos cambiar la forma en que las ondas entrantes se refractan, incluso forzando un cambio de refracción positiva a negativa.

Recuerda que las imágenes nos llegan a través de ondas de luz. Los sonidos nos llegan a través de ondas sonoras. Si puede canalizar estas ondas alrededor de un objeto, puede ocultarlo eficazmente de la vista o el sonido. Imagina un pequeño arroyo. Si pones una bolsita de té llena de tinta roja en agua corriente, su presencia se hará evidente río abajo, gracias a la forma en que cambió el tono, el sabor y el olor del agua. ¿Y si pudiera desviar el agua de la bolsita de té?

En 2006, David Smith de la Universidad de Duke tomó una teoría anterior propuesta por el físico teórico británico 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 distorsiones de microondas electrónicas. Cuando se activan, dirigen las microondas a una frecuencia específica alrededor del núcleo del material.

Claro, los humanos no pueden ver en el espectro de microondas, pero la tecnología ha demostrado que las ondas de energía pueden transportarse alrededor de un objeto. Imagínese una cubierta que pudiera desviar la bola de paja de una tercera serie, moverla alrededor del usuario y permitirle continuar hacia el otro lado como si su camino la hubiera pasado, sin desafíos, a través de la persona en la cubierta. Ahora bien, ¿cuánto más difícil sería desviar una piedra? ¿Una pelota?

Los metamateriales de Smith demostraron el método. La receta de la invisibilidad fue adaptarla a diferentes olas.

Lea más sobre los metamateriales a continuación.

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Metamateriales: reservorios 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.

Imagen cortesía del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Maryland

En 2007, Igor Smolyaninov, de la Universidad de Maryland, llevó a su equipo aún más por el camino 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 micrones de ancho, el manto Purdue usa anillos de oro concéntricos inyectados con luz cian polarizada. Estos anillos mueven las ondas de luz que llegan lejos del objeto oculto, haciéndolo invisible. Los físicos chinos de la Universidad de Wuhan llevaron este concepto al rango audible, proponiendo la creación de una capa de invisibilidad acústica que puede desviar las ondas sonoras alrededor de un objeto.

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En este momento, las capas de invisibilidad metamaterial son bastante limitadas. No son solo pequeños; están limitadas a dos dimensiones, difícilmente lo que necesitarías para desaparecer en el paisaje de una zona de guerra en 3D. Además, la capa resultante pesaría más de lo que un mago adulto podría esperar llevar. Como resultado, la tecnología puede ser más adecuada para aplicaciones como ocultar edificios o vehículos fijos, como tanques.

Camuflaje óptico: realidad alterada

La tecnología de camuflaje óptico no te hará invisible para los monstruos Beholder con múltiples ojos, ni siquiera para los gatos y las ardillas callejeras.

La tecnología de camuflaje óptico no te hará invisible para los monstruos Beholder con múltiples ojos, ni siquiera para los gatos y las ardillas callejeras.

Foto cortesía © Tachi Laboratory, Universidad de Tokio

¿Listo para ponerte un camuflaje óptico a la antigua?

Esta tecnología aprovecha la llamada tecnología de realidad aumentada, un tipo de tecnología introducida en la década de 1960 por Ivan Sutherland y sus estudiantes en la Universidad de Harvard y la Universidad de Utah.

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El camuflaje óptico ofrece una experiencia similar a la capa de invisibilidad de Harry Potter, pero su uso requiere una disposición algo complicada. Primero, la persona que quiere ser invisible (llamémosle Harry) lleva algo que parece un impermeable con capucha. La prenda está confeccionada con un material especial que veremos más de cerca próximamente.

Luego, un observador (llamémoslo profesor Snape) se para frente a Harry en un lugar específico. Allí, en lugar de ver a Harry con un impermeable con capucha, Snape ve a través de la capa, haciendo que Harry parezca invisible. La foto de arriba muestra lo que vería Snape. ¿Qué pasa si Snape se aleja y mira a Harry desde un punto ligeramente diferente? Bueno, solo vería al niño mago con una capa plateada. Probablemente seguirían los ceños fruncidos y los arrestos. Afortunadamente para Harry, su capa imaginaria ofrece una protección completa.

El camuflaje óptico no funciona con magia. Funciona aprovechando algo llamado tecnología de realidad aumentada – un tipo de tecnología desarrollada en la década de 1960 por Ivan Sutherland y sus estudiantes en la Universidad de Harvard y la Universidad de Utah. Puede leer más sobre la realidad aumentada en Cómo funciona la realidad aumentada, pero una breve descripción general lo ayudará aquí.

Los sistemas de realidad aumentada agregan información generada por computadora a las percepciones sensoriales del usuario. Imagine, por ejemplo, que está caminando por una calle de la ciudad. Cuando mira los sitios a lo largo del camino, la información adicional parece mejorar y enriquecer su visión normal. Tal vez sean los especiales del día en un restaurante o los horarios de los espectáculos en un teatro o los horarios de los autobuses en la estación de tren. Lo fundamental es entender que la realidad aumentada no es lo mismo que la realidad virtual. Mientras que la realidad virtual tiene como objetivo reemplazar el mundo, la realidad aumentada simplemente busca complementarlo con contenido adicional y útil. Piense en ello como una pantalla de visualización frontal (HUD) para la vida cotidiana.

La mayoría de los sistemas de realidad aumentada requieren que el usuario mire a través de un dispositivo de visualización especial para ver una escena del mundo real mejorada con gráficos sintetizados. También requieren una computadora potente. El camuflaje óptico también requiere estos elementos, pero también requiere muchos otros componentes. Aquí tienes todo lo que necesitas para que alguien parezca invisible:

  • una prenda hecha de material altamente reflectante
  • una cámara de video digital
  • una computadora
  • un proyector
  • un espejo especial semi-plateado llamado combinador

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

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Camuflaje óptico: componentes de la capa de invisibilidad

El camuflaje óptico funciona aprovechando una tecnología llamada realidad aumentada.  Aprenda cómo funciona y descubra lo que hay en la portada.

El camuflaje óptico funciona aprovechando una tecnología llamada realidad aumentada. Aprenda cómo funciona y descubra lo que hay en la portada.

Bueno, entonces tienes tu cámara, tu computadora, tu proyector, tu marcador y tu hermoso 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 con un material retrorreflectante. Esta tela de alta tecnología está cubierta con miles y miles de pequeñas cuentas. Cuando la luz incide sobre una de estas perlas, los rayos de luz regresan exactamente en la misma dirección de donde vinieron.

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

En retrorreflexión, las esferas de vidrio actúan como prismas, doblando los rayos de luz por refracción. Esto hace que los rayos de luz reflejados regresen de la misma manera que los rayos de luz incidentes. El resultado: un observador 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, las marcas viales y los reflectores de bicicletas utilizan reflectores retrorreflectantes para ser más visibles para las personas que conducen de noche. Las pantallas de cine que se encuentran en la mayoría de los cines comerciales modernos también aprovechan este material, ya que permite un alto brillo en la oscuridad. En el camuflaje óptico, el uso de material retrorreflectante es fundamental, ya que se puede ver desde lejos y desde el exterior con luz solar directa, requisitos para la ilusión de invisibilidad.

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Camuflaje óptico: no más componentes de capa de invisibilidad

Como puede ver en esta imagen, la experiencia es muy similar a caminar directamente frente a una pantalla de proyección de película, con solo un fondo real.

Como puede ver en esta imagen, la experiencia es muy similar a caminar directamente frente a una pantalla de proyección de película, con solo un fondo real.

Foto AP / Shizuo Kambayashi

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

Luego, el proyector ilumina la imagen modificada en la ropa, proyectando un haz de luz a través de una apertura controlada por un dispositivo llamado diafragma del iris. Este diafragma consta de placas delgadas y opacas y la rotación de un anillo cambia el diámetro de la abertura central. Para que el camuflaje óptico funcione correctamente, esta abertura debe ser del tamaño de un agujero de alfiler. ¿Por qué? Esto asegura una mayor profundidad de campo para que la pantalla (en este caso la capa) se pueda colocar a cualquier distancia del proyector.

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Finalmente, el sistema general requiere un espejo especial para reflejar tanto la imagen proyectada sobre el manto como para reflejar los rayos de luz del manto. volver a los ojos del usuario. Este espejo especial se llama divisor de haz, o uno combinador – un espejo semi-plateado que refleja la luz (la mitad plateada) y la transmite (la mitad transparente).

Cuando 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 que lo rodea. Esto es esencial porque la imagen generada por computadora y la escena del mundo real deben estar completamente integradas 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 el sistema.

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Camuflaje óptico: el sistema de invisibilidad completo

Una forma de hacer que una persona sea transparente

Una forma de hacer que una persona sea transparente

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

Tan pronto como la persona usa la funda hecha de material retrorreflectante, aquí está la secuencia de eventos:

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  1. Una cámara de video digital captura la escena detrás de la persona que usa la tapa.
  2. La computadora procesa la imagen capturada y realiza los cálculos necesarios para ajustar la imagen fija o el video de una manera que parezca realista cuando se proyecta.
  3. El proyector recibe la imagen mejorada de la computadora e ilumina la imagen a través de una abertura en forma de agujero en el combinador.
  4. La mitad plateada del espejo, totalmente reflectante, proyecta la imagen proyectada hacia la persona que lleva el abrigo.
  5. La cubierta se comporta 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 se reflejan en la funda atraviesan la parte transparente del espejo y llegan a los ojos del usuario. Recuerde que los rayos de luz reflejados en la portada contienen la imagen de la escena detrás de la persona que lleva la portada.

La persona que lleva la capa parece invisible mientras la escena de fondo se muestra en el material retrorreflectante. Al mismo tiempo, los rayos de luz del resto del mundo pueden llegar a los ojos del usuario, dando la impresión de que hay una persona invisible en un mundo normal.

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Camuflaje óptico: aplicaciones de invisibilidad en el mundo real

Aunque una capa de invisibilidad es una aplicación interesante de camuflaje óptico, probablemente no sea la más útil.  Obtenga más información sobre algunas aplicaciones del mundo real.

Aunque una capa de invisibilidad es una aplicación interesante de camuflaje óptico, probablemente no sea la más útil. Echa un vistazo a algunas aplicaciones del mundo real.

Las palabras “manto de invisibilidad” tienden a evocar imágenes de aventuras fantásticas, espionaje mágico y engaños sobrenaturales. Sin embargo, las aplicaciones reales del camuflaje óptico son mucho menos numerosas. Puedes olvidarte de esconder tu nave romulana o ir al dormitorio de la Bruja, pero eso no significa que no haya muchos usos viables para la tecnología.

Por ejemplo, los pilotos que aterrizan en un avión pueden usar esta tecnología para hacer que el piso de la cabina sea transparente. Esto les permitiría ver la pista y el tren de aterrizaje simplemente mirando al suelo (que mostraría la vista desde el exterior del fuselaje). Asimismo, los conductores no deberían tener que lidiar con espejos y puntos ciegos. En cambio, podrían simplemente “mirar a través” de toda la parte trasera del vehículo. La tecnología también tiene aplicaciones potenciales en el campo médico, ya que los cirujanos pueden usar camuflaje óptico para ver a través de sus manos y herramientas para una vista sin obstrucciones del tejido subyacente.

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Es interesante notar que una posible aplicación de esta tecnología es precisamente para hacer más visibles los objetos. El concepto se llama existencia mutua y consiste esencialmente en proyectar la apariencia de un usuario remoto sobre un robot revestido con un material retrorreflectante. Suponga que un cirujano opera a un paciente por medio de una cirugía robótica controlada a distancia. La existencia mutua daría a los médicos humanos que asisten al procedimiento la percepción de que están trabajando con otro ser humano en lugar de una máquina.

Por el momento, la existencia mutua es ciencia ficción, pero los científicos continúan empujando los límites de la tecnología. Por ejemplo, los juegos ubicuos ya se están convirtiendo en una realidad. Juego ubicuo extiende las experiencias de juego del mundo real a las calles de la ciudad y áreas remotas. Los jugadores con pantallas de teléfonos móviles se mueven por el mundo a medida que los sensores adquieren información sobre su entorno, incluida su ubicación. Esta información proporciona una experiencia de juego que cambia según dónde se encuentren los usuarios y qué estén haciendo.

No desaparezcas sobre nosotros. Tenemos muchos otros enlaces para explorar más adelante.

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¿Y si pudieras ponerte un abrigo y perderte de vista?

¿Y si pudieras ponerte un abrigo y perderte de vista?

Foto cortesía © Tachi Laboratory, Universidad de Tokio

Admitelo. Le gustaría tener una capa de invisibilidad. ¿Decir un paso en falso vergonzoso en una fiesta? Ponte tu manto mágico y desaparece de la mirada arrogante de tus compañeros de fiesta. ¿Quieres escuchar lo que realmente dice tu jefe sobre ti? Vaya directamente a su oficina y recoja la mercancía.

Estos geniales accesorios de moda se han convertido en un estándar increíble en el mundo de la ciencia ficción y la fantasía. Todos, desde magos hasta cazadores en safaris intergalácticos, tienen al menos una camisa invisible en su guardarropa, pero ¿qué pasa con nosotros, pobres idiotas del mundo real?

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Bueno, muggles, la ciencia tiene buenas noticias para ustedes: las capas de invisibilidad son una realidad. La tecnología está lejos de ser perfecta, pero si ingresa a nuestra tienda de ropa desaparecida de alta tecnología, lo guiaremos a través de las opciones de capa de invisibilidad.

Primero, echemos un vistazo a algunos modelos impresionantes de nanotubos de carbono, de la colección de otoño de 2011 del UTD NanoTech Institute. Esta nueva tecnología está inspirada en los mismos fenómenos naturales responsables de los espejismos en el desierto. Calentado por estimulación eléctrica, el fuerte gradiente de temperatura entre la chaqueta y el área circundante provoca un fuerte gradiente de temperatura que atrae la luz del usuario. El problema: los usuarios necesitan amar el agua y poder caber en una placa de Petri.

O tal vez prefieras algo hecho con metamateriales. Estas diminutas estructuras son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Cuando se construyen correctamente, guían los rayos de luz alrededor de un objeto, como una piedra que desvía el agua a un arroyo. Sin embargo, por ahora, la tecnología solo funciona en dos dimensiones y solo está disponible en el tamaño ultrapequeño de 10 micrones de diámetro.

Si te gusta más la moda retro, también existe la tecnología de camuflaje óptico desarrollada por científicos de la Universidad de Tokio. Este enfoque funciona con los mismos principios de la pantalla azul que utilizan los meteorólogos de televisión y los directores de Hollywood. Si quieres que la gente vea a través de ti, ¿por qué no disparas a lo que hay detrás de ti y lo proyectas en tu cuerpo? Si viaja con un séquito de camarógrafos, este podría ser su abrigo, deberían hacerlo.

¿Listo para probar algunas de estas modas por tamaño?

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