Эта статья является частью нашей новой серии Currents в которой исследуется, насколько быстро достижения в области технологий меняют нашу жизнь.
Представьте, что вы управляете компьютером, двигая руками в воздухе, как это делает Тони Старк в «Железном человеке». Или использование смартфона для увеличения объекта, как это делает устройство, которое персонаж Харрисона Форда использует в «Бегущем по лезвию». Или видеовстречи нового поколения, на которых очки дополненной реальности позволяют просматривать трехмерные аватары. Или поколение автономных транспортных средств, способных безопасно передвигаться в городском потоке.
Эти достижения и множество других на горизонте могут произойти из-за метаматериалов, позволяющих управлять лучами света с той же легкостью, что и компьютер Чипы контролируют электричество.
Термин «метаматериалы» относится к широкому классу промышленных материалов, состоящих из структур, которые тоньше, чем длина волны видимого света, радиоволн и других типов электромагнитного излучения. Вместе они теперь дают инженерам исключительный контроль при разработке новых типов сверхдешевых датчиков, которые варьируются от линз телескопа до инфракрасного термометра.
«Мы вступают в фазу потребления метаматериалов », — сказал Алан Хуанг, технический директор Terabit Corporation, консалтинговой фирмы из Кремниевой долины, который провел первые исследования в области оптических вычислений в течение своих 12 лет в Bell Labs. «Это выйдет далеко за рамки фотоаппаратов и проекторов и приведет к тому, чего мы не ожидаем. Это действительно поле мечты ».
Первыми потребительскими товарами, использующими преимущества недорогих метаматериалов, будут смартфоны, которые улучшат их характеристики, но способность управлять световыми волнами новыми способами вскоре также позволит выпускать такие продукты, как Очки дополненной реальности, которые накладывают компьютеризированные изображения на реальный мир.
Сами по себе технологии не новы. В начале XIX века французский физик Огюстен-Жан Френель предложил идею уплощения и осветления оптических линз, используя серию концентрических бороздок для фокусировки света. Ключевое новшество, лежащее в основе метаматериалов, заключается в том, что они состоят из субкомпонентов, меньших, чем длина волны того типа излучения, которым они предназначены управлять.
Например, чтобы сделать линзу из метаматериалов, вы разрезаете кремний (что просто стекло) достаточно тонким, чтобы оно было прозрачным, а затем вы можете встроить в тонкий слой стекла структуры, фокусирующие свет, проходящий через него.
Одним из первых, кто осознал коммерческий потенциал метаматериалов, был Натан Мирвольд, физик, который ранее был главой Microsoft Research.
«Когда я впервые попал в это было довольно спорным,» сказал г-н Myhrvold. «Были ученые, которые говорили, что все это чушь».
С тех пор г-н Мирвольд основал полдюжины компаний, основанных на технологиях метаматериалов. Некоторые из этих компаний занимаются потребительскими оптическими рынками, включая Lumotive, фирму из Сиэтла, которая разрабатывает лидарную систему визуализации без движущихся частей.
Лидары используют лазеры для создания точных карт окружающих объектов на расстоянии до сотен ярдов. Лидары широко используются компаниями, разрабатывающими беспилотные автомобили, и сегодня это в основном механические системы, которые быстро вращают лазерный луч для создания карты.
Напротив, Lumotive использует технологию жидкокристаллических дисплеев, изначально разработанную для плоских панелей, чтобы «направлять» луч лазерного света. Полученная в результате система намного дешевле, чем механический лидар, что позволяет использовать ее для ряда новых приложений, таких как дроны для доставки, беспилотные автомобили и мобильные домашние роботы, такие как интеллектуальные пылесосы.
автомобильная промышленность переполнена производителями лидаров, представители компании Lumotive переориентировали свои усилия на новые рынки домашних и промышленных роботов. Они еще не объявили о клиентах.
«Мы идем в направлении, в котором одним из других атрибутов, которые у нас есть, является способность масштабировать эти вещи до очень малых размеров, что делает нас уникальными», — сказал Билл Коллеран, генеральный директор и соучредитель Lumotive.
Еще одна компания, пытающаяся использовать потенциал метаматериалов, — Metalenz, основанная в 2017 году Робертом Девлином. и Федерико Капассо, которые сейчас работают над новым способом изготовления оптических линз с использованием мощных и недорогих компьютерных технологий изготовления микросхем.
Многие типы метаматериалов производятся с использованием того же оборудования, что и компьютерные микросхемы. Это важно, потому что это предвещает поколение недорогих микросхем, использующих свет, так же, как компьютерные микросхемы могли использовать электричество в 1960-х годах. Это нововведение привело к появлению огромной новой потребительской индустрии: электронные часы, за которыми последовали видеоигры, а затем и персональные компьютеры, все выросли из способности протравливать схемы на кремнии.
Используя технологию микрочипов, можно будет добиться большего. дешево изготавливать десятки тысяч или даже миллионы двумерных линз, способных отклонять свет на основе узоров из прозрачных материалов, встроенных в их поверхность, за небольшую часть стоимости сегодняшних оптических линз.
Вопрос, на который эти компании должны ответить, заключается в том, могут ли они предложить достаточно улучшенные характеристики и более низкую стоимость, чтобы убедить производителей отказаться от своих текущих компонентов (в данном случае, дешевых пластиковых линз).
Очевидным первым шагом для новой технологии будет замена пластиковых линз, используемых в смартфонах, что Metalenz начнет делать в следующем году, но это только первый массовый рынок для метаматерии. ls. По словам г-на Девлина, также появятся приложения для управления нашим взаимодействием с компьютерами и автомобильными системами безопасности, а также для улучшения способности недорогих роботов перемещаться в тесноте.
Apple, как сообщается, работает над разработка системы, которая перенесет многие функции смартфона в тонкие и легкие очки.
«Одной из основных проблем была объем и вес », — сказал Гэри Брадски, главный технолог OpenCV.ai, разработчика свободно доступного программного обеспечения для машинного зрения. «Я имею в виду, какой вес может выдержать ваш нос?»
Легкость — это преимущество, предлагаемое компанией Metalenz, которая продемонстрировала ультратонкие линзы из двумерного кремния с узором из ультратонких прозрачных структур, каждая из которых меньше длины волны света. Однако создание объектива в виде интегральных схем дает и другие важные преимущества.
«Одна из самых мощных вещей, которые вы получаете от метаматериалов или метаповерхностей, — это способность действительно снизить сложность системы при одновременном улучшении общей производительности, — сказал мистер Девлин. «Таким образом, медицинские или научные приложения, которые были заперты в лабораториях из-за того, что они действительно большие, громоздкие и дорогие, теперь будут предлагаться по цене в форм-факторе, позволяющем установить их в телефон любого человека»
.
Одна из первых возможностей будет заключаться в том, чтобы сделать возможным размещение датчиков непосредственно за дисплеями смартфонов, что позволит использовать всю площадь поверхности телефона. Это также упростит датчики «структурированного света», которые проецируют узоры из точек, используемые для распознавания лиц.
Самым мощным атрибутом микроэлектроники была способность уменьшать масштаб схем, делая их более быстрыми, мощными и менее дорогими. , на протяжении многих десятилетий. Подобным же образом метаматериалы изменят то, как дизайнеры используют лучи света.
Например, ученые, завершающие работу над усовершенствованным миллиметровым телескопом, который планируется установить в обсерватории Саймонса в Чили в следующем году, обратились к метаматериалам для изготовления плиток. это покрывает внутреннюю часть телескопа, чтобы улавливать практически весь рассеянный свет. Фотоны, попадающие на поверхность плиток, улавливаются поверхностью ультрамалых конусовидных структур, сказал Марк Девлин (не имеющий отношения к основателю Metalenz), профессор астрономии и астрофизики в Университете Пенсильвании, который возглавляет дизайн телескоп.
«Плитка легкая, дешевая, ее легко установить, — сказал он, — и она не упадет».
