讓科幻成為現實的“超材料”,商業潛力有多大?

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“超材料”具有強大的商業潛力。

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編者按:“超材料”,其結構比可見光、無線電波和其他類型的電磁輻射的波長還要細,具有強大的商業潛力,遍及智能手機、增強現實眼鏡、激光雷達、送貨無人機和移動家居機器人。本文譯自The New York Times,作者是約翰·馬爾科夫(John Markoff),原標題為" These Materials Could Make Science Fiction a Reality ",希望對您有所啟發。

請你想像一下,就像《鋼鐵俠》(Iron Man)中的托尼·斯塔克(Tony Stark)那樣,人可以通過在空中揮舞雙手,來操作電腦。或者像哈裡森·福特(Harrison Ford)在《銀翼殺手》(Blade Runner)中飾演的角色那樣,用智能手機放大一個物體。或者是下一代視頻會議,增強現實眼鏡使觀看3D化身成為可能。或者新一代能夠在城市交通中安全駕駛的自動駕駛汽車。

由於“超材料”的存在,這些先進技術以及其他許多即將出現的技術,都有可能實現,它使控制光束成為可能,就像計算機芯片控制電力一樣簡單。

“超材料”一詞指的是一大類人造材料,其結構比可見光、無線電波和其他類型的電磁輻射的波長還要細。綜上所述,它們現在能讓工程師們在設計新型的超堆傳感器時擁有非凡的控制權,這些傳感器的范圍從望遠鏡鏡頭到紅外溫度計。

“我們正在進入超材料的消費階段,”黃艾倫(Alan Huang)說,他是硅谷咨詢公司Terabit公司的首席技術官,在貝爾實驗室(Bell Labs)的12年裡,他做了光學計算的早期研究。“它將超越相機和投影儀,帶來我們意想不到的東西。”這真是一片夢幻之地。”

第一個利用廉價的超材料的消費產品,將會是智能手機,它將提高超材料的性能,但以新的方式控制光波的能力,也將很快使增強現實眼鏡等產品成為可能,這種眼鏡將計算機化的圖像疊加在現實世界上。

這些技術本身並不新鮮。早在19世紀,法國物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)就提出了利用一系列同心凹槽聚光,使光學透鏡變平、變亮的想法。超材料背後的一個關鍵創新是,它們是由比它們設計用來操縱的輻射波長還小的子組件構成的。

例如,要用超材料製造透鏡,你需要將硅(也就是玻璃)切得足夠薄,使其透明,然後你可以在薄薄的玻璃層中嵌入結構,使光線通過時聚焦。

微軟研究院(Microsoft Research)前負責人、物理學家內森·梅爾沃德(Nathan Myhrvold)是最早意識到超材料商業潛力的人之一。

“我剛開始研究這個項目的時候,爭議很大。”梅爾沃爾德說,“有些科學家說這是一派胡言。”

從那時起,梅爾沃德已經創立了六家基於超材料技術的公司。其中幾家公司正在追求消費者光學市場,包括總部位於西雅圖的Lumotive公司,該公司正在開發一種沒有移動部件的激光雷達成像系統。

激光雷達利用激光繪制周圍物體的精確地圖,最遠可達數百碼。激光雷達被開發自動駕駛汽車的公司廣泛使用,如今它們大多是機械系統,可以快速旋轉激光束來繪制地圖。

相比之下,Lumotive公司使用最初為平板開發的液晶顯示技術,來“控制”一束激光。由此產生的系統比機械激光雷達便宜得多,這使得它們有可能應用於一系列新的應用,比如送貨無人機、自動駕駛汽車和智能吸塵器等移動家居機器人。

由於汽車行業內已經充斥著許多激光雷達製造商,Lumotive公司的管理人員已經將他們的努力重新集中在家用和工業機器人的新市場上。他們還沒有宣布客戶。

Lumotive的首席執行官兼聯合創始人比爾·科勒蘭(Bill Colleran)說,“我們正朝著一個方向前進,我們擁有的另一個特性,就是能夠將這些東西縮小到非常小的規模,這使我們與眾不同。”

另一家試圖利用超材料潛力的公司是2017年由羅伯特·德夫林(Robert Devlin)和費德裡科·卡帕索(Federico Capasso)創立的Metalenz公司,目前正在研究一種利用強大而廉價的計算機芯片製造技術,製造光學透鏡的新方法。

許多類型的超材料,正在使用製造計算機芯片的相同設備來製造。這一發現意義重大,因為它預示著一代廉價的照明芯片的誕生,就像20世紀60年代計算機芯片能夠利用電力一樣。這一創新催生了一個龐大的新消費行業:電子表、視頻游戲、個人電腦等,都是由在硅上蝕刻電路的能力發展而來的。

借助微芯片技術,可以廉價製造數以萬計,甚至數以百萬計的二維透鏡,這些透鏡可以根據鑲嵌在其表面的透明材料的模式來彎曲光線,其成本僅為當今光學透鏡的很小一部分。

這些公司必須回答的問題是,他們能否提供足夠的改進性能和更低的成本,以說服製造商放棄目前使用的組件(在這裡是廉價的塑料鏡片)。

這項新技術的第一步,顯然是取代智能手機中的塑料鏡片,Metalenz公司將於明年開始這樣做,但這只是超材料的第一個大眾市場。據德夫林介紹,機器人還將應用於控制我們與計算機和汽車安全系統的交互方式,以及提高廉價機器人在擁擠環境中的移動能力。

據報道,蘋果公司正在設計一個系統,該系統可以把許多智能手機功能,最終轉移到輕薄的眼鏡上。

“主要問題之一是體積和重量。” OpenCV公司的首席技術專家加裡·布拉斯基(Gary Bradski)說,Ai是一款免費機器視覺軟件的開發者。“我的意思是,你的鼻子能承受多少重量?”

輕盈是Metalenz公司提供的一個產品優勢,該公司展示了具有超細透明結構的二維硅超薄透鏡,每個透鏡的波長都小於光的波長。然而,製造像集成電路一樣的透鏡還有其他重要的優點。

“你從超材料或超表面得到的最強大的東西之一,是真正降低系統復雜性的能力,同時提高整體性能,”德夫林說,“因此,由於體積大、體積大、價格昂貴,一直被鎖在實驗室裡的醫療或科學應用,現在將以可以安裝在每個人手機上的價格提供。”

一項早期的功能,將使將傳感器直接放置在智能手機顯示屏後面成為可能,將使用手機的整個表面區域成為可能。它還將簡化“結構光”傳感器,這些傳感器投射用於人臉識別的點的模式。

微電子學最強大的特性,是能夠在幾十年的時間裡縮小電路的規模,使它們更快、更強大、更便宜。以類似的方式,超材料將改變設計師駕馭光束的方式。

例如,科學家們正在完成一個先進的毫米望遠鏡,計劃明年安裝在智利(Chile)的西蒙斯天文台(Simons Observatory),他們轉向了超材料用於覆蓋望遠鏡內部的瓦片,以捕捉幾乎所有的雜散光。賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)天文學和天體物理學教授馬克·德夫林(Mark Devlin)(與Metalenz的創始人沒有關系)說,落在瓷磚表面的光子會被一個超小的錐狀結構的表面捕獲。德夫林領導了該望遠鏡的設計。

“這些瓷磚重量輕,價格便宜,容易安裝,”他說,“而且它們不會脫落。”

譯者:TeresaChen

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