Что ждет НАС в будущем?
Будущее... Смысл этого слова знает каждый из нас, но далеко не каждый знает, что оно в себе таит. Что ждет нас завтра? Случится землетрясение? Прилетят представители внеземной цивилизации? Кто знает... Однако давайте все же попытаемся представить. Какой будет жизнь через 50 лет, какими будут люди, что мы будем носить, какую пищу будем есть, станет ли ежедневный полет в космос такой же обыденностью, как поход в магазин или к врачу? На эти и некоторые другие вопросы мы с вами попытаемся дать ответ. В нашем маленьком путешествии нас будут сопровождать такие выдающиеся умы XXI века как, Стивен Хоукинг, Митио Каку, и, разумеется, ваш покорный слуга.
Итак, уважаемые читатели, за окном конец XXI века. Перед нами город будущего. Похожую картинку представлял каждый из нас. Что же мы видим?
Футуристический город Интариум
Интариум
Перед нами Интариум. Этот город не похож ни на один из существующих сегодня. Дело в том, что Интариум – живой кибернетический организм. Практически каждый предмет в этом городе подключен в сеть и находится в режиме онлайн. Люди носят одежду, в которую вмонтированы микрочипы, способные регестрировать и обрабатывать практически любую информацию. Жителям это города больше не нужно переживать о своем здоровье, системы датчиков в одежде регистрируют жизненные показатели, а специализированные экспертные системы оповещают о проблемах. Теперь, если у человека внезапно случился инфаркт, одежда сама это зафиксирует и вызовет скорую, по прибытию которой у медиков уже будут некоторые данные о состоянии больного.
Давайте посмотрим на сколько близко ученые подошли к созданию такой реальности. Практически любое устройство, имеющее сетевой адаптер, может быть подключено к сети. Но что на счет одежды? Можно ли создать такую одежду, которая была бы комфортная, как и та, что мы носим сейчас, которую можно было бы без проблем стирать, и которая могла бы делать те чудеса, о которых мы говорили выше?
Профессор Сандарасен Джайараман (Sundaresan Jayaraman) изобрел новаторский подход для производства «умной одежды». Идея весьма проста. Требуется максимальная интеграция проводов и сенсоров в одежду. Открытие ученого заключается в использовании полимерных волокон, имеющих такую же проводимость, что и обычные провода. Одежда, сшитая из такой полимерной ткани, будет содержать провода, которые невозможно различить или почувствовать, а датчики или сенсоры можно подключить в любой момент. В результате экспериментов была получена рубашка, которую даже можно стирать.
Люди, живущие в этом городе, любят на выходных хорошо отдохнуть и повеселиться на околоземной орбитальной станции, на которую они поднимаются на «космическом лифте». Да, да, вы не ошиблись! Именно на космическом лифте! Кажется фантастикой. Однако ученые уже сегодня ведут исследования в этой области, чтобы однажды превратить фантастику в реальность.
Космический лифт
Давайте порассуждаем возможно ли такое. Теоретически в этом нет ничего сложного. Для построения космического лифта нам понадобится капсула с системой жизнеобеспечения, станция на орбите и лента, соединяющая некоторую точку на Земле с космической станцией. Центробежная сила будет постоянно удерживать ленту в натянутом состоянии, а подъемный механизм, в сочетании с реактивным двигателем, будет поднимать капсулу с людьми в космос. Одной из проблем может послужить материал, из которого требуется сделать ленту. К сожалению, ни один из существующих материалов, в том числе углеродистая сталь, не может подойти для решения такой проблемы. Однако ученые уже сейчас ведут исслеования в области получения материала, свойства которого позволили бы нам создать такую ленту. Этот материал – углеродистые нанотрубки.
Углеродистые нанотрубки – хороший кандидат для создания сверхпрочного тросса для космического лифта
К сожалению, сейчас мы не можем создавать нанотрубки в промышленных масштабах. Выращивание площадки в несколько сантиметров занимает десятки часов, а иногда и больше. Другой немаловажной проблемой являются, так называемые, пояса Ван Аллена, через которые придется пройти космическим путешественникам. Существуют и другие проблемы такие, как эффект Кориолиса, скорость подъема и многое другое [1]. Поэтому пока космический лифт остается лишь нашей фантазией. Или нет?
Голограммы и трехмерные изображения
Каждый любитель научной фантастики хоть раз в своей жизни представлял себе связь нового поколения. Такой вид связи позволяет не только слушать собеседника, но и видеть его, причем не на экране дисплея или монитора, а в трехмерном пространстве. Да, речь сейчас пойдет именно о голографических проекциях. Голографией называют технологии, предназначенные для точного воспроизведения и переформирования волновых полей. Впервые термин «голограмма» ввел венгерский физик Габор Денеш.
Мир в голограмме
В основе построения голограмм лежит известное физическое явление интерференция. Данное явление возникает тогда, когда в некоторой области пространства складываются несколько электро-магнитных волн, испускаемых когерентными источниками. Если источники волн когерентны, то эти самые волны имеют очень близкие частоту и фазу. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи [2].
Разумеется такая голограмма не очень похожа на те, которые мы видим в Звездных Войнах. Тем не менее, разработки в области построения реалистичных пространственных изображений ведутся очень активно. Примером тому может быть создание «туманного» экрана. Туманный экран – это конструкция, изображение на которой формируется путем его проекции на тонкий слой водяного тумана. Контентом на проекции может являться любой видео или фото материал, который, благодаря технологической составляющей, создает ощущение 3D изображения, парящего в воздухе [3]. Благодаря уникальным демонстрационным свойствам, туманный экран успешно используется на выставках, презентациях, корпоративных праздниках и шоу программах.
Безусловной особенностью туманных экранов является возможность беспрепятственного прохождения сквозь инсталляцию. Конструкция туманного экрана позволяет получать качественное парящее в воздухе изображение. Принцип действия туманного экрана заключается в следующем: любое видеоизображение проецируется на «экран», состоящий из микрокапелек воды, которые образуются под воздействием ультразвука. Тончайший слой тумана стабилизируется направленными ламинарными воздушными потоками. Впервые туманный экран в своем современном серийном виде появился на конкурсе Евровидение 2007 в Хельсенки. С тех пор спрос на данный вид видео носителя с каждым годом все больше и больше [3].
Первое использование туманного экрана (Евровидение 2007, Хельсинки)
Такие успехи в данной области дают основания полагать, что не за горами времена устройств связи, которые позволят не только слышать собеседника, но и видеть его в пространстве так, как если бы он находился прямо перед вами.
Умная пыль
Умная пыль – термин, используемый для описания сети из малых беспроводных микроэлектромеханических систем и дополнительных устройств, которые могут взаимодействовать между собой и получать данные о состоянии внешней среды (например, температуре, свете, давлении) [4]. Предполагается, что базовый элемент «умной» пыли – мот, будет иметь очень малые размеры, которые сравнимы с размерами частицы пыли или песка. Каждый мот будет иметь собственные сенсоры, вычислительный узел и питание. Вместе моты образуют самоорганизующуюся гибкую беспроводную сеть. Область применения такой технологии очень и очень велика – от сферы развлечений до мониторинга климата планеты. Представьте себе, что слой такой пыли покрывает стену вашей теплицы и следит за показаниями температуры, освещенности и влажности. Теперь вам вовсе не обязательно следить за климатом внутри теплицы. Умная пыль сама зарегестрирует все изменения, отправит данные на сервер, который выполнит все необходимые действия для стабилизации параметров [5]. Фактически мы имеем новое поколение датчиков, которые отличаются огромным числом возможностей и способны к самоорганизации. Разумеется, до производства «пыли» в промышленных масштабах очень далеко, однако давайте с вами посмотрим, какие технологии доступны уже сейчас.
На сегодняшний день очень быстро развиваются так называемые сенсорные сети. Беспроводная сенсорная сеть – это распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Причем область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому [6]. Наличие специализированных протоколов коммуникации между отдельными узлами позволяет им обмениваться данными.
Беcпроводная сенсорная сеть
Одним из такие протоколов является Zigbee [7]. По сути сенсорные сети обладают почти всеми свойствами умной пыли. Единственное отличие в том, что они не такие маленькие, как частицы умной пыли. Размеры одного мота сенсорной сети – от монеты и более. Очень много технических решений в данной области исходит от Intel [8].
Следует отметить тот факт, что исследованиями в области сенсорных сетей занимаются и в нашем университете [9, 10, 11].
Войны XXI века
Думаю, не ошибусь, если читатель задался вопросом о том, как будут выглядеть войны будущего. Солдаты конца XXI века будут отличаться от привычных нам. В их шлемы будут вмонтированы гибкие дисплеи и камеры, которые позволят стрелять точнее, получать разведовательную информацию от беспилотных и космических аппартов, связываться с командным центром, оценивать обстановку, анализировать местность. Их гибкие бронекостюмы обеспечат должную защиту, они будут пуленопробиваемыми и даже смогут сделать солдата невидимым.
Солдаты будущего
В массачусетском исследовательском центре армии США ведутся разработки не только новых видов вооружения, но и эффективных систем защиты. Одной из такой систем являеться «умный» бронекостюм. Он будет мягким, удобным, а в момент попадания пули, он станет пуленепробиваемым.
Стивен Самохус (Stephen Samouhos) – специалист массачусетского технологического института, занимается разработкой материала из которого будет создана новая униформа. Для своих экспериментов Самохус использует взвесь кусков брони в нефти. Под воздействием магнитного поля вещество затвердивает, а после прекращения воздействия – возвращается в исходное состояние. Предел прочности брони в напряженном состоянии достаточен для предотвращения проникновения инородных тел, поэтому эта технология может быть использована для создания бронекостюмов нового поколения.
Взвесь кусков брони в нефти под воздействием магнитного поля
Способность новой брони реагировать на физическое воздействие – не единственная ее особенность. Особые полимеры новой брони будут работать, как искусственные мышцы. Каждая молекула будет сокращаться и расширяться в случае необходимости. Это может оказать раненному в бою солдату первую помощь, а с помощью средств коммуникации вся информация о состоянии организма и местоположении солдата будет передаваться в командный пункт, который вышлет помощь.
Каждый из нас мечтал о плаще-невидимке. Представьте, как бы технологии невидимости повлияли на форму ведения боевых действий. Сегодня ведется множество исследований в области создания материалов, способных полностью или частично скрыть предмет, причем не только в видимом спектре.
Давайте порассуждаем, как можно заставить исчезнуть объект. Обратимся к физике. Сегодня ученые выделяют несколько классов невидимости. Невидимость прозрачности – эффект исчезновения рассеивания световых волн, огибающих тело при совпадении показателей преломления тела и среды. Подобный тип невидимости имеет ограничения. При различии частотной дисперсии тела и среды невидимость нарушается при изменении длины волны. В природе почти невидимы медузы, показатель преломления которых близок к показателю преломления воды. Невидимость обтекания иллюстрируется, так называемым, «плащом-невидимкой». Падающее на оболочку излучение должно «обтекать» его, восстанавливаясь после обтекания. Распределение интенсивности и волнового фронта должно быть независимо от свойств скрывающегося под оболочкой объекта. Последнее означает, что оболочка должна подходить к объектам с различными оптическими свойствами. В этом варианте исходная проблема заменяется следующими двумя. Во-первых, надо обеспечить невидимость уже не объекта, а оболочки. Во-вторых, необходимо предотвратить проникновение излучения внутрь объекта.
Технологии невидимости
Технически проблема переносится на конструирование оболочки с использованием современных метаматериалов, наноструктур и других материалов с особыми оптическими свойствами, позволяющими рассеивать свет, а затем восстанавливать его. Рассмотрим другой подход к решению данной задачи. При «активной невидимости» на поверхности скрываемого объекта с одной стороны располагаются датчики излучения, а с другой – излучатели. С помощью датчиков определяются характеристики падающего излучения. Затем после обработки этой информации вычисляются характеристики полей для генерации излучателями волн, которые дали бы такое же распределение поля вне объекта, которое было бы в его отсутствии. Такой тип практически невозможен в оптической области. Наибольший интерес представляет вариант невидимости-обтекаемости. Теоретически он может быть частично реализован с использованием так называемых метаматериалов. Метаматериал – композитный материал, имеющий свойства, не встречающиеся в природе. В частности он имеет отрицательную диэлектрическую и магнитную проницаемости. При прохождении света через объект из такого материала, он полностью его огибает. На сегодняшний день ведутся активные разработки эффективных способов получения таких материалов. Однако пока что в экспериментальной установке удалось сделать «невидимым» лишь небольшой медный цилиндр. Так же текущая стадия позволяет сделать объект невидимым лишь в очень и очень узком спектре сантиметровых волн.