Richard Baraniuk đang mở khóa những bí mật của thiên nhiên, những nghệ sĩ ngụy trang giỏi nhất - những người thân thiện.
Richard Baraniuk tin rằng vương quốc động vật có rất nhiều điều để dạy, không chỉ cho các nhà khoa học đang tìm hiểu, mà còn cho các kỹ sư đang tìm cách tạo ra. Baraniuk, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Rice, đang giúp phát triển các vật liệu mới cho mục đích phòng thủ - lấy cảm hứng từ da của các sinh vật biển, như mực, có thể ngụy trang dưới nước. Cuộc phỏng vấn này là một phần của loạt EarthSky đặc biệt, Biomimicry: Nature of Innovation, được sản xuất với sự hợp tác của Fast Company và được tài trợ bởi Dow.
Richard Baraniuk
Hãy cho chúng tôi biết về dự án mang tên Da mực
Đầu tiên, chúng tôi muốn hiểu làm thế nào mực và các loài động vật chân đầu khác làm một công việc đáng chú ý như vậy để ngụy trang bản thân trước nền tảng của môi trường biển. Họ có thể pha trộn hoàn hảo với nền và gần như biến mất. Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu khoa học cơ bản về cách họ có khả năng về nó và cơ chế là gì.
Chúng tôi muốn hiểu cả hai từ khía cạnh cảm nhận của sự vật - cách họ cảm nhận môi trường ánh sáng xung quanh - và từ một dẫn động mặt của sự vật. Nói cách khác, cách chúng thực sự kiểm soát các cơ quan bên trong da để phản xạ và hấp thụ ánh sáng của tất cả các bước sóng khác nhau. Và sau đó chúng tôi muốn hiểu nó từ góc độ thần kinh, làm thế nào họ có một hệ thống điều khiển cho phép cảm biến điều khiển sự truyền động này để họ có thể hòa nhập vào nền.
Bạch tuộc ngụy trang. Tín dụng hình ảnh: SteveD.
Từ hiểu biết khoa học cơ bản này, sau đó chúng tôi đang cố gắng chế tạo một loại mực ống tổng hợp sẽ thay thế mắt bằng máy ảnh và các loại cảm biến ánh sáng khác, thay thế da bằng siêu vật liệu - vật liệu hiện đại có khả năng phản xạ và hấp thụ ánh sáng rất mạnh. trên công nghệ nano cũng có thể phản xạ và hấp thụ ánh sáng ở mọi loại bước sóng - và cuối cùng, tạo ra các thuật toán máy tính tinh vi có thể điều chỉnh da để da có thể, giống như con mực, tự ngụy trang và hòa trộn hoàn hảo vào nền.
Tạo kết nối cho chúng ta về những gì các nhà khoa học đang cố gắng học hỏi và áp dụng từ các sinh vật biển ngụy trang.
Thực sự có ba mục tiêu khoa học cơ bản. Về mặt cảm nhận, chúng tôi muốn hiểu làm thế nào mực và các loài chân khác có thể cảm nhận được trường ánh sáng cực kỳ phức tạp này bao quanh chúng trong môi trường biển. Bất cứ khi nào bạn lặn dưới biển và nhìn xung quanh, bạn sẽ thấy - nó cực kỳ phức tạp. Có những phản xạ từ bề mặt, phản xạ từ phía dưới và ánh sáng đến từ mọi hướng. Để ngụy trang bản thân, một con mực phải có khả năng cảm nhận tất cả các trường ánh sáng của nó.
Chúng tôi chỉ bắt đầu vạch ra bề mặt hiểu biết về các hệ thống cảm biến. Chúng ta biết rằng mực và các loài động vật chân đầu khác có đôi mắt rất nhạy bén và chúng có thể nhìn thấy rất nhiều về môi trường của chúng theo cách tương tự như cách con người nhìn thấy. Nhưng họ thậm chí còn nhiều hơn. Họ có thể cảm nhận được sự phân cực của ánh sáng, điều này cực kỳ hữu ích để hiểu được ánh sáng mà Lôi bị phản xạ khỏi các vật thể khác nhau, ánh sáng được chiếu ngược từ xa hơn xuống biển. Họ có khả năng nhìn thấy tốt hơn về mặt đó so với con người.
Mực rạn san hô Bigfin. Tín dụng hình ảnh: Nick Hobgood
Một yếu tố khác mà cực kỳ thú vị từ cả hai khía cạnh khoa học và kỹ thuật là cộng tác viên của chúng tôi, Roger Hanlon của Viện Hải dương học Woods Hole, đã phát hiện ra rằng một lớp lớn của cephalepads thực sự có cảm biến ánh sáng phân bố trên da của chúng. Vì vậy, bạn thực sự có thể nghĩ rằng toàn bộ cơ thể của một con mực giống như một chiếc máy ảnh khổng lồ có thể cảm nhận ánh sáng từ tất cả các hướng khác nhau, phía trên con mực, bên dưới con mực và ở mọi phía. Và vì vậy chúng tôi tin từ khía cạnh cảm nhận của sự vật, nó thực sự là sự kết hợp giữa đôi mắt và những cảm biến ánh sáng phân tán này đang cung cấp khả năng hòa trộn vào nền.
Câu hỏi nghiên cứu cơ bản thứ hai là về cơ chế truyền động. Làm thế nào để mực và các loài chân khác có thể thay đổi màu sắc, thay đổi độ phản xạ, độ sáng của chúng? Đây là một phần của dự án mà người hiểu rõ nhất. Các nhà khoa học trong vài thập kỷ qua đã có thể tìm thấy rằng động vật chân đầu có các cơ quan bên trong da của chúng được gọi là chromatophores, iridophores và leucophores. Ba cơ quan này có thể hấp thụ ánh sáng và phản xạ ánh sáng ở các tần số khác nhau, do đó thay đổi màu sắc. Các sắc ký có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều tần số khác nhau, ví dụ, vì vậy chúng có thể thay đổi màu sắc. Các iridophores có thể phản xạ ánh sáng ở các tần số khác nhau. Và các leucophores có thể khuếch tán ánh sáng. Và do đó, với kho vũ khí gồm ba yếu tố khác nhau này, họ có thể tạo ra một loạt các mẫu khác nhau đáng kinh ngạc để phù hợp với nền tảng của môi trường biển của họ.
Câu hỏi khoa học cơ bản thực sự thú vị thứ ba là xung quanh khía cạnh hệ thống thần kinh. Làm thế nào để mực hoặc cephalepad khác tích hợp tất cả thông tin này từ các cảm biến ánh sáng phân tán này, từ mắt của chúng, xử lý thông tin đó và sau đó kiểm soát các cơ cấu chấp hành - các sắc tố, iridophores và leucophores - để chúng hòa trộn với nhau, không chỉ với màu sắc của nền đó nhưng với các biến thể ánh sáng rất tinh tế mà bạn có được dưới nước?
Mực tò mò ở Indonesia. Tín dụng hình ảnh: Nhobgood
Chúng tôi hiểu những vật liệu này có thể được sử dụng để ngụy trang cho các tàu được sử dụng trong quốc phòng - như tàu ngầm. Hãy cho chúng tôi về điều đó.
Khi bạn hiểu các nguyên tắc và kiến trúc cơ bản mà một con mực sử dụng để ngụy trang, chúng ta có thể tưởng tượng việc chế tạo một lớp da tổng hợp thay thế, ví dụ, các cảm biến ánh sáng trên da và mắt của con mực bằng máy ảnh, với hệ thống cảm biến ánh sáng phân tán. Chúng ta có thể thay thế da bằng một số loại siêu vật liệu, công nghệ có thể phản xạ và khúc xạ và khuếch tán ánh sáng của các bước sóng khác nhau. Và chúng ta có thể thay thế hệ thống thần kinh trung ương bằng một máy tính có khả năng phân tích các hoạt động nền và điều khiển các cơ cấu chấp hành này.
Nếu chúng ta có thể làm điều này, chúng ta có thể tưởng tượng việc chế tạo các phương tiện dưới nước, ví dụ, được bao phủ bởi lớp da siêu vật liệu này hoạt động theo cách rất giống với một con mực để ngụy trang. Chúng có thể trở nên gần như vô hình dưới biển.
Bạn có thể mang nó đi xa hơn, lấy nó ra khỏi nước. Chúng ta có thể che các phương tiện trong một loại mực siêu vật liệu tương tự, và có thể làm cho các phương tiện biến mất, để mọi người có thể nhìn thấy một chiếc xe hơi hoặc một chiếc xe tải đang ngồi trên một cánh đồng, ví dụ. Di chuyển thậm chí vượt ra ngoài, vượt quá tần số ánh sáng thông thường, vào những thứ như tần số vô tuyến hoặc tần số âm thanh, bạn có thể tưởng tượng việc chế tạo phương tiện trên mặt đất hoặc thậm chí là máy bay gần như vô hình trước radar. Vì vậy, bạn có thể tưởng tượng ra một loạt các loại xe tàng hình mới vô hình trước mắt tò mò.
Chúng tôi hiểu rằng công việc này cũng có thể hỗ trợ khả năng chụp ảnh của các tàu dưới nước. Hãy cho chúng tôi về điều đó.
Cephalepads không chỉ có một hệ thống cảm biến tập trung cho ánh sáng - một con mắt mà bạn có thể tưởng tượng thay thế bằng một máy ảnh kỹ thuật số - mà còn có các cảm biến ánh sáng được phân bổ khắp cơ thể của chúng. Vì vậy, trong một số ý nghĩa, toàn bộ cơ thể của họ giống như một máy ảnh khổng lồ của các cảm biến ánh sáng phân tán. Chúng ta mới bắt đầu hiểu rằng chúng ta có thể sử dụng khái niệm cảm biến ánh sáng phân tán này để cho phép những cách hoàn toàn mới đối với hình ảnh, để có thể nhìn thấy dưới nước, không chỉ ở bước sóng khả kiến, như ánh sáng, mà còn có khả năng sử dụng bước sóng âm để có thể sử dụng các hệ thống thăm dò giống như sonar. Hãy tưởng tượng các phương tiện không chỉ có thể hòa trộn vào nền của chúng, mà còn có thể hiểu rõ hơn về nền tảng của chúng, các mục tiêu khác trong nền, cá bơi xung quanh, các tàu ngầm khác, những thứ tương tự.
Một số cách khác mà dự án này sẽ tác động đến thế giới bên ngoài phòng thí nghiệm là gì?
Có cơ hội rất lớn để áp dụng một số giải pháp kỹ thuật mới này. Đầu tiên, về mặt siêu vật liệu, phía thực tế da da - các siêu vật liệu cực kỳ hứa hẹn để xây dựng các loại công nghệ hiển thị mới. Hãy tưởng tượng màn hình linh hoạt chi phí rất thấp có thể được sử dụng cho máy tính, cho các loại màn hình đọc khác. Hãy tưởng tượng những tấm rất lớn - toàn bộ bức tường của ngôi nhà bạn là một màn hình TV khổng lồ.
Về mặt cảm nhận ánh sáng của sự vật, có ý tưởng này rằng mực sử dụng cảm biến ánh sáng phân tán để hiểu môi trường của chúng. Cuối cùng chúng ta có thể áp dụng những ý tưởng đó để xây dựng hệ thống camera phân tán lớn. Hãy tưởng tượng hình nền mà bạn đặt trong ngôi nhà của bạn bao phủ toàn bộ bức tường có thể thực hiện tái tạo 3D mọi thứ trong phòng và mọi thứ di chuyển xung quanh phòng, sẽ rất hữu ích trong tương lai cho các hệ thống thực tế ảo, để bảo mật các ứng dụng, cho loại ứng dụng giám sát.
Về mặt hệ thống thần kinh, chúng ta càng hiểu rõ hơn về cách thức thực sự tích hợp cephalepad và mực, sử dụng thông tin từ các cảm biến và sử dụng nó để điều khiển các cơ cấu chấp hành, điều này cho phép chúng ta thiết kế các loại ure hoàn toàn mới và nhìn thấy các kỹ thuật tổng hợp, có thể cho phép các loại đồ họa máy tính mới và các công nghệ phim và trò chơi do máy tính tạo ra, và cả phân tích ure - ví dụ, các kỹ thuật để nhận ra người trong cảnh hoặc xe trong cảnh. Tất cả những ý tưởng này được đưa ra từ sự hiểu biết tốt hơn về cách cảm nhận của cephalepads và sau đó hòa trộn vào nền.
Chúng ta có thể quay trở lại với da mực của người Viking trong một phút không? Làm thế nào để nó so sánh với da mực thật? Phá vỡ làm thế nào điều này làm việc xuống cho chúng tôi.
Da mực được thiết kế mà chúng tôi tạo ra được lấy cảm hứng trực tiếp từ sự hiểu biết khoa học cơ bản của chúng tôi về cách một con cephalepad cảm nhận ánh sáng, tích hợp nó và hòa trộn vào nền.
Trong làn da kỹ thuật của chúng tôi, chúng tôi có máy ảnh kỹ thuật số để thay thế đôi mắt. Chúng ta có các điốt nhạy cảm với ánh sáng được nhúng vào da có khả năng cảm nhận ánh sáng đến từ mọi hướng xung quanh da. Sau đó, chúng ta có làn da thực sự, có thể thay đổi màu sắc. Và ở đó, chúng tôi đang lấy các cơ quan truyền động ánh sáng của cephalepad, các sắc tố, iridophores, leucophores và chúng tôi kỹ thuật được gọi là siêu vật liệu để mô phỏng các đặc tính của chúng. Siêu vật liệu là những vật liệu hiện đại có khả năng phản xạ và hấp thụ ánh sáng rất mạnh. Chúng được tạo ra, ví dụ, những quả bóng thủy tinh có kích thước nano, và phủ chúng bằng những tấm vàng rất mỏng, mịn hoặc các loại vật chất khác để chúng ta có thể hấp thụ hoặc phản xạ ánh sáng ở các tần số khác nhau.
Yếu tố thứ ba của da là bắt chước hệ thống thần kinh trung ương của cephalepad. Và ở đây, chúng tôi đang sử dụng các thuật toán máy tính tinh vi để lấy thông tin từ các cảm biến ánh sáng phân tán và máy ảnh, để hiểu được nền tảng của các vật thể mà chúng tôi đang cố gắng trộn vào và sau đó tạo ra các tín hiệu điều khiển điện sau đó được sử dụng để kiểm soát các siêu vật liệu sao cho chúng hấp thụ và phản xạ ánh sáng ở tần số phù hợp để da hòa trộn với nền của nó.
Suy nghĩ của bạn về biimicry - học cách tự nhiên làm mọi việc và áp dụng kiến thức đó vào các vấn đề của con người?
Tôi tin rằng vương quốc động vật có rất nhiều điều để dạy, không chỉ các nhà khoa học đang tìm hiểu, mà cả các kỹ sư đang tìm cách tạo ra.
Điều làm tôi ngạc nhiên về lĩnh vực sinh học nói chung là chúng ta càng hiểu về cách thức động vật làm việc và xử lý thông tin, ví dụ, chúng ta càng biết rằng chúng thực sự có, theo thời gian - nhờ tiến hóa - được áp dụng tối ưu hoặc gần tối ưu giải pháp, cách tốt nhất có thể để giải quyết một vấn đề.
Một ví dụ tuyệt vời từ một số công việc trước đây mà tôi đã thực hiện trong sự nghiệp của mình là những con dơi, chúng bay xung quanh trong những con sâu săn mồi tối. Và họ thực sự sử dụng sonar. Họ sử dụng định vị bằng tiếng vang. Điều đáng kinh ngạc là dơi thực sự sử dụng dạng sóng tối ưu về mặt toán học mà nó phát ra để tìm cả vị trí của bướm đêm và chúng bay nhanh đến mức nào để chúng có thể bắt được nhiều nhất trong một đêm.
Tôi nghĩ rằng trong kỹ thuật, chúng ta mới bắt đầu tạo ra các hệ thống đang tiến gần đến sự phức tạp của các hệ thống sinh học. Ví dụ, nếu bạn nhìn vào hệ thống phức tạp nhất thế giới, những thứ như tàu con thoi với hàng triệu bộ phận, một khi chúng ta di chuyển vào vương quốc động vật, chúng ta sẽ nói về các hệ thống với hàng tỷ, hàng nghìn tỷ bộ phận. Để đạt được mục tiêu này, tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ phải áp dụng một số chiến lược mà chúng ta có thể học được từ sinh học.