Silicon Taiga: IT-байки: О невидимости, мнимой и настоящей

Признаться честно, когда мы всей редакцией ещё только задумывали возобновлении публикаций в разделе "IT-байки", чётких границ тематики и определённой направленности так и не было задано. Основным, и, пожалуй, единственным тематическим условием было что-то вроде "любые темы вокруг IT-бизнеса кроме непосредственно событий IT-бизнеса". После выпуска ряда публикаций, лишь одна из которых имела отношение к компьютерам (и та о будущем), ясности в тематике раздела не добавилось, напротив, судя по письмам читателей, наиболее популярными оказались совсем уж "оффтопные" темы про выставки и андроидов.

По мне, так наиболее точно нынешнее тематическое состояние раздела охарактеризовала Александра Орджоникидзе, наш управляющий директор и по совместительству строгий неподкупный критик, назвав "IT-байки" чем-то вроде современного онлайнового аналога любимого поколениями советской молодёжи журнала "Техника - Молодёжи" . К слову сказать, "настоящие пацаны" в то время предпочитали не говорить об этом и выписывали журнал "Радио", хотя, конечно же, с удовольствием читали "Технику - Молодёжи", особенно всё, связанное с горизонтами развития науки и фантастику с продолжением, которой тогда был страшный дефицит. Журнал, кстати, жив-здоров и поныне, так что есть кому передать привет и "респект за наше счастливое детство".

И всё же, каким будет будущее раздела - пока точно неизвестно. Будет ли раздел и дальше наполняться впечатлениями от IT-поездок, комментариями последних скандалов индустрии, околокомпьютерными размышлениями о будущем, в этаком лёгком блоггерски-полушутливом стиле? Или пора уж разбавить эти несерьёзные записки чем-нибудь основательным - вроде прогнозов будущего мобильной индустрии от ведущих маркетинговых аналитических компаний мира; подборками индустриальных слухов с Тайваня? Или просто время от времени подытоживать развитие технологий за определённый прожитый нами период?

Словом, это недвусмысленный намёк на то, что все ваши письма мы читаем очень внимательно и постараемся учитывать каждое разумное пожелание.

Сегодня же попробуем опробовать ещё одно направление - любопытные фронтиры науки. Обычно такие темы отражаются лишь в наших новостях, и то, весьма выборочно. Между тем, многие из них имеют самое непосредственное отношение к компьютерной индустрии. Или, даже если не имеют, то дело идёт к тому. Сегодня поговорим о невидимости, вокруг которой нынче много шума как в научной среде, так и в прессе. Как обычно водится в этом разделе, я не намерен загружать вас формулами и подробными выкладками патентных описаний, тем не менее, не обойдётся без кое-каких критических размышлений.

Сегодня мы сразу же благополучно пропустим вступление про умевшего делаться невидимым древнеегипетского божества Амон-Ра, про все экранизации "Человека-невидимки" Герберта Уэллса и прочие мечты и фантазии о невидимости, возникавшие на протяжении всей истории человечества. Начнём с наших дней и с того факта, что современные учёные в той или иной степени постигли природу невидимости, и если ещё не научились её достигать, то по крайней мере, не врут нам, что это возможно или будет возможно когда-то с помощью морфеусовских магических пилюль, гаррипоттеровских шаманских заклинаний или ещё какой чертовщины. Зато - как знать, вполне возможно, сказка о шапке-невидимке в ближайшем будущем окажется самой настоящей былью. Точнее, не совсем шапка, а некая накидка, которая, будучи накинутой на человека, сделает его невидимым.

Здесь сразу стоит определиться с терминологией. Что мы подразумеваем под невидимостью? В одном случае достаточно мимикрии, чтобы подобно хамелеону слиться с ландшафтом и стать невидимым. Этот классический случай был предложен ещё предтечей нынешних учёных, занимающихся разработкой "систем обмана зрения", старухой Шапокляк, которая предлагала "зелёному и плоскому" крокодилу Гене "лечь на газон". Ну, вы помните - "бросаем кошелёк, прохожий нагибается" и всё такое. Глупый крокодил отказался послужить науке, а зря, сейчас он был бы весьма востребован военными, которые как никто другой заинтересован в опыте таких разработок.

Другой, более сложный способ достижения невидимости также основан на оптических фокусах, но уже другого рода. Речь идёт о создании современными средствами специальных структур, способных за счёт оптических свойств применяемого материала укрыть нужный объект и сделать его невидимым в лучах видимого света, инфракрасном и даже миллиметровом-сантиметровом диапазонах волн, по некоторым сообщениям - чуть ли не вплоть до длин волн звукового диапазона. Словом, объект, укрытый этим материалом - будь то человек, танк или целая толпа пехоты, становится полностью невидим в широком спектре частот. Что-то вроде преломления карандаша в полупустом стакане воды или миражей в пустыне, только в более масштабных и управляемых условиях.

Оба способа по-своему интересны и, в случае достижения успеха могут быть востребованы весьма широко - от копперфильдов и военных до фокусников и проходимцев всех мастей. Возможно, есть какие-то другие способы достижения невидимости, но поскольку мы с самого начала отмели сказочные способы и прочих шварценеггеровских "хищников", при том, что невидимость по страусиному способу прятанья головы в песок не наш метод, попробуем разобраться и просуммировать хотя бы разработки в двух очерченных выше способах. И посмотреть, будет ли от них какой-никакой толк в ближайшем будущем.

…Впервые про изобретение профессора Токийского университета Сусуму Тачи (Susumu Tachi), по совместительству - президента Virtual Reality Society of Japan, пресса заговорила ещё весной 2003 года, когда он со своим студентом Кадзутоши Обана (Kazutoshi Obana) впервые продемонстрировал миру свой плащ-невидимку. В дальнейшем технология совершенствовалась, совершенствуется и поныне, но суть от этого не меняется - полупрозрачный плащ-хамелеон плюс чудеса современной техники.

Изобретение профессора Тачи, по сути, представляет собой обычную накидку из зелёного пластика, служащую одновременно плащом от дождя и полупрозрачным экраном для спрятанного под ним проектора. Дальше всё просто как дважды два: на спине "плащеносца" расположена видеокамера, картинка с которой хитроумным способом проецируется изнутри на переднюю часть накидки. Конечно же, ни о какой невидимости речи быть не может, более того, даже до мимикрии хамелеона этой технологии ещё очень далеко, однако зрительный эффект для наблюдателя всё равно потрясающий, особенно если за спиной экспериментатора-привидения что-нибудь интенсивно движется. Впечатления от использования плаща-невидимки профессора Тачи лучше передать не статической картинкой, а вот этим видеороликом, записанным с канала Discovery.

Полагаю, каждый из нас, вооружившись веб-камерой на затылке и ноутбуком с вращающимся экраном, вполне в состоянии повторить эксперимент японских учёных, сделав, к примеру, прозрачным свой живот и удивив друзей. Другое дело, что для военных это не шуточки, а вполне жизненные идеи для воплощения в новых видах вооружений. Неизвестно, взят ли на заметку кем-нибудь из военных способ профессора Тачи, но то, что министерство обороны США всерьёз занимается разработкой так называемого "продвинутого, активного, адаптивного" камуфляжа, точный факт. Разумеется, на всех подобных разработках лежит гриф полнейшей секретности, однако, по сообщениям американской прессы, лаборатория NASA Jet Propulsion Laboratory публиковала сообщение о предварительной разработке невидимых машин, и многие инженеры с удовольствием обсуждали эти идеи в ньюсгруппах и блогах.

Лично мне такого пресс-релиза на сайте JPL найти не удалось (завяз в ссылках на космические исследования), но по крайней мере, в своё время один из учёных из Jet Propulsion Laboratory, Филип Мойнихэн (Philip Moynihan), уже комментировал разработки профессора Тачи американской прессе. Судя по данным журнала Wired, проблема не решается простым наскоком с видеокамерой и плащом. Покрыть объект сетью видеосенсоров и соответствующих экранов? Тоже не выход. Дело в том, что для такого типа "невидимости" совсем недостаточно светочувствительных считывающих сенсоров с одной стороны объекта и светодиодных или ЖК экранов с другой. Такая система попросту будет работать как выше упомянутая связка ноутбука и вебкамеры, только без фокусирующей оптики: даже в непосредственной близости от объекта съёмки всё будет выглядеть размазанным, а всё, что дальше - как смазанная серая дымка. Каждый из вас может поставить подобный эксперимент, положив что-нибудь объёмное (например, видеокарту кулером вниз) на стекло сканера: всё, что будет прилегать к стеклу, получится более-менее чётким, удаление на сантиметр и более даст этакий грязный туман.

Что ж, получается, идея заведомо неосуществимая? Тем более, что в реалиях полевой обстановки "поворачиваться" к противнику нужным невидимым боком - это вовсе нонсенс, и такая камуфляжная невидимость будет чего-то стоить разве что если будет обеспечиваться с любого угла обзора, для любого единовременного количества наблюдателей.

Исследователи не говорят, что это нереально, они говорят что это достаточно сложно. В качестве примера приводится такой вариант: взамен одной видеокамеры взять шесть стереоскопических пар видеокамер, расположить их спереди, сзади, слева, справа, сверху и снизу. Мало шести пар - можно ставить дюжину, полторы или две, вплоть до достижения желаемой реалистичности окружающей действительности. Далее весь этот плотный массив видеоданных распределяется с помощью управляющей электроники на массив отображающих дисплейных элементов, каждый из которых в свою очередь способен излучать тысячи световых пучков в индивидуально заданных направлениях. Этакая "многомерная виртуальная реальность", изнутри направленная на объёмный экран, причём, такая установка будет способна даже к перефокусировке перспективы.

Да, неплохо, но вот беда: хорошо, если всё это будет излучаться изнутри на огромный неподвижный чехол-экран, под которым будет спрятан слон, танк, аэродром или секретная база торпедных катеров, теоретически, такую стационарную установку можно сделать и современными технологиями. Но представить себе портативный "маскхалат" со встроенным компьютером такой мощности, столь сложным софтом, и главное, сложным тканевым дисплеем лично я пока себе не могу. С разрешением такого дисплея вряд ли будут проблемы, тем более, что с расстояния двух и более метров детализация картинки будет не столь уж важна. Зато с яркостью, особенно в солнечный день, проблемы будут обязательно, и даже если эта проблема разрешится, остаётся только догадываться, в какое место придётся засовывать человеку-невидимке мощные аккумуляторы питания. Про частоту обновления картинки и говорить не приходится: может для телевизоров её и достаточно, но движущийся невидимка для человеческого глаза будет весьма и весьма мерцающим объектом…

Остаётся только один выход: попытаться научиться синтезировать 3-мерную реальность по образу и подобию глаза стрекозы с последующей триангуляционной обработкой каждого пикселя, с учётом яркости и цветности. А дальше, используя 3D визуализацию методом рендеринга бегущим лучом (ray-traced rendering), покрыть невидимый плащик синтезированной многомерной картинкой, фотореалистичной для наблюдателя в любой точке. Ни стандартные, ни нынешние гибкие дисплеи для этой цели не подходят, потребуется такой дисплей, каждый пиксель которого излучает не под определённым видимым углом, но во всех возможных направлениях.

И всё равно, даже с такими возможностями в лучшем случае получится эффект, схожий с невидимостью оппонента Шварценеггера в первом фильме "Хищник" (Predator), хорошо маскирующийся на фоне джунглей, и демонстрирующий ошибки параллакса, яркости и цветности на хорошо освещённых участках.

Более-менее придать реализм этой системе могли бы сверхкрохотные микродисплеи с полусферическими линзами, каждый из которых в свою очередь включал бы в себя видеоэкранчик из пиксельного массива. Научиться управлять таким "стрекозиным глазом", излучающим своими гиперпикселями во все стороны, задача не из простых, но в случае удачи овчинка будет стоить выделки.

По теоретическим прикидкам учёных, такой камуфляжик должен быть соткан из гиперпикселей с линзами, каждый из которых включает в себя массив из 180 x 180 светодиодов, а плотность размещения гиперпикселей должна составить около 289 штук на квадратный сантиметр. В результате четыре квадратных метра такой ткани будут включать в себя порядка 375 млрд. пикселей, что эквивалентно 286 тысячам SVGA мониторов, рендеринг потребует минимум 17 трассировочных лучей на пиксель. Я не знаю, сколько киловатт будет потреблять такой костюмчик, но на своих ногах его с аккумуляторами явно не унести. Впрочем, даже разработка системы объёмной видеосъёмки с последующей передачей в аналитический центр могла бы принести много интересных идей, однако это уже другая история.

Вполне возможно, что решение вопроса невидимости "камуфляжным способом" заключается в разработке новых технологий дисплеев. Как знать, может быть решение вопроса невидимости способом мимикрии будет лежать в плоскости улучшения технологии голографии…

Посмотрим. Пока что, судя по публикациям в прессе, из более-менее реальных экспериментов можно вспомнить лишь фокусы профессора Тачи. Однако даже его разработка может быть весьма востребована на современном этапе развития технологии. Только представьте себе хирурга, который видит пациента сквозь пальцы. Или пилота, для которого вся кабина самолёта в любом направлении представляется прозрачной… В этом месте я предлагаю вам вспомнить все те случаи, когда вы говорите кому-то "отодвинься, не стеклянный" и пофантазировать на эту тему, а сам буду переходить к описанию второго варианта невидимости.

В отличие от профессора Тачи, который уже четвёртый год удерживает лавры изобретателя плащика с мнимой невидимостью и нынче имеет кое-какие контакты с хирургами на предмет коммерциализации идеи, сообщение о том, что сразу две независимые группы учёных из США и Англии добились успехов в разработке другого вида невидимости, впервые появилось лишь этой весной. Ещё тогда я заинтересовался разработками так называемых мета-структур (metamaterials, если угодно, мета-материалов), благодаря которым учёные вплотную приблизились к созданию экспериментальных мета-тканей, якобы способных укрыть объект и сделать его невидимым в лучах видимого света, инфракрасном и даже миллиметровом-сантиметровом диапазонах волн (по некоторым сообщениям чуть ли не вплоть до длин волн звукового диапазона). Словом, объект, укрытый этим материалом - будь то человек, танк или целая толпа пехоты, якобы становится полностью невидим в широком спектре частот.

Если честно, первоначально публикация вызвала лишь скептическую ухмылку. Даже после публикации сообщения на эту тему в авторитетном журнале Nature скепсис мой не поубавился, потому как всё это слишком живо напомнило историю с миллиардными финансированиями DARPA технологии Stealth, невидимой для радаров в сантиметровом диапазоне, но прекрасно видимой в метровом.

Впрочем, скепсис несколько поубавился после попытки вникнуть в детали идеи. Суть - не в предотвращении отражения света и/или радиоволн, как в случае с технологией Stealth, но… в искажении, в идее "обтекания" светом объекта, укрытого этим самым метаматериалом, как вода в реке обтекает камень. При этом разработчики, особо не посвящая в детали проекта, обещали полную невидимость при наблюдении объекта с любой точки.

Одно из двух: или идея на нобелевку, или шарлатанство века. Что ж это за вещество такое волшебное должно быть, что за мета-материал, описанный как exotic composite material made using nanotechnology that can change the direction of electromagnetic radiation. То есть, "экзотическое композитное метавещество, изготовленное с применением нанотехнологий и способное изменять направление электромагнитного излучения".

Не слишком ли часто всякие необъяснимые чудеса последнее время "сваливают" на гипотетические способности нанотехнологий? Ещё также настораживал тот факт, что только группа профессора Джона Пендри (John Pendry) из лондонского Imperial College, подводившая обоснование эффекту "обтекания лучей света" вокруг препятствия, да группа профессора Дэвида Смита (David Smith) из Duke University в Дурхэме, Северная Каролина, продемонстрировавшая изобретённый метаматериал, заговорила об этой возможности. Да ладно там, пользуясь свойствами оптической рефракции и аномалиями свойств метаматериалов, обещать спрятать волосинку или муравьишку - а тут сразу целое подразделение солдат!

Что ж, оставалось подождать подтверждения чудесных свойств метаматериалов на практике. И оно пришло на прошлой неделе, пока я писал для вас байку про роботов-андроидов. Одним из первых National Geographic News сообщил о практических успехах разработчиков из Imperial College и Duke University, а полное описание сути изобретения появилось на следующий день в Science Online, онлайновом издании журнала Science. Кстати, о "шапке-невидимке для целой армии", как оказалось на деле, трубили вовсе не учёные, а журналисты.

Для тех, кто хочет самостоятельно и дотошно вникнуть в самую суть идеи, дам прямые ссылки на публикации: вот непосредственно статья Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies в Science Online, там же пять анимационных видеороликов с пояснением сути. По этой ссылке - пояснительный документ в формате PDF, вы найдёте подробное описание технологии, условий эксперимента, фотографии экспериментальной установки, и главное, формулы с описанием свойств метаматериала.

Остальным попробую вкратце "на пальцах" пересказать самое главное, как я это понял. Этот самый метаматериал представляет собой комплексную гибридную структуру из металла и изолятора (навивка из металлической проволоки вокруг изолятора), что заставляет свет обтекать завёрнутый в него объект как лопасти вентилятора рассекают воздух. Иными словами, как не крути, вот этот самый метаматериал обладает отрицательным индексом рефракции! В опытной установке набор концентрических медных колец на стекловолоконной подкладке отклонял электромагнитные волны на специфических частотах, без заметного рассеивания и поглощения, что равноценно отражению и отбрасыванию тени.

Что ж, заманчиво, однако - накрыл себя и свой автомобиль по примеру Джеймса Бонда и его Aston Martin этаким невидимым колпаком - и, чао, радары автоинспекции.

Но опять же, не всё так просто, от восторженных охов и ахов пора перейти к практической стороне нынешней реализации эффекта невидимости. Во-первых, пока что в экспериментальной установке удалось сделать "невидимым" лишь небольшой медный цилиндр. Во-вторых, текущая стадия позволяет сделать объект невидимым лишь в очень и очень узком спектре сантиметровых волн. Даже если бы нынешние метаматериалы обладали свойством невидимости в видимом диапазоне волн, плащик из такого материала смог бы сделать вас невидимым лишь если бы вы были того самого единственного цвета, с длиной которого он работает. Иными словами, для достижения невидимости требуется быть или зелёным, или строго розовым, но никак не фиолетовым в крапинку - будут видны или крапинки, или фиолетовость. ;-)