От солнца, луны и огня до ультрасовременных полупроводников человеческая история неизменно связана со светом. В этом специальном выпуске Futuris мы общаемся с учеными и инженерами, которые делают наше будущее ярче.
Это окно создает крайне реалистичное ощущение света, совсем как настоящее окно. Это улучшает самочувствие и придает спокойствие.
Вечное сияние
Солнечный свет приносит нам комфорт и безопасность. Где бы мы ни были, нам нужно видеть небо. Такова наша природа. Нам плохо в помещениях без окон.
В отделении радиохирургии в исследовательской больнице Humanitas в Милане (Италия) нет окон, кроме того, снаружи идет дождь, но помещение освещается потрясающе реалистичной иллюзией солнечного света.
«Это закрытое защищенное пространство по причине радиации. И это может вызвать у пациентов чувство клаустрофобии», – объясняет Пьеро Пикоцци (Piero Picozzi), нейрохирург и глава больничного отделения гамма-хирургии.
«Это окно создает крайне реалистичное ощущение света, совсем как настоящее окно. Благодаря этому, входя в помещение, вы чувствуете себя лучше и спокойнее».
Оптическая система, которая скрывается за окном, в настоящее время имеет довольно крупные габариты и стоит примерно как средний автомобиль.
Разработанная в рамках европейского исследовательского проекта система потребляет всего 300 Вт энергии и уже отмечена несколькими отраслевыми наградами.
«Как функционирует виртуальное окно? В основе устройства лежит светодиодный проектор, который обладает всеми спектральными характеристиками солнечного света и создает узкий пучок с реалистичными тенями», – говорит Паоло Ди Трапани (Paolo Di Trapani), профессор оптики в университете Инсубрии, основатель и генеральный директор компании CoeLux и координатор проектов CoeLux и DeepLiteEU в ЕС.
«Внутри этого устройства находятся оптические системы, которые позволяют наблюдателю воспринимать изображение неба с бесконечно удаленным солнцем», – продолжает он.
– «В рамках проекта мы стремимся разработать достаточно компактное устройство, которое можно будет установить не только дома или в больничной палате, но даже в лифте, автомобиле, корабельной каюте, поезде, самолете – то есть везде!»
Художникам известно, что солнце создает определенные оптические эффекты на поверхностях. Если мы хотим, чтобы свет выглядел естественно, эти эффекты необходимо понять и воспроизвести. Но как получить нужный цвет?
Профессору Ди Трапани удалось точно воссоздать атмосферный процесс, который придает нашему небу голубой цвет.
«Атмосфера содержит молекулы воздуха, которые движутся, создавая флуктуации плотности, при размере в нанометры, то есть миллионные доли миллиметра», – объясняет г-н Ди Трапани.
– «Мы воспроизводим эти колебания с помощью наночастиц, высококонцентрированной дисперсии крошечных сфер с немного более высоким показателем преломления, чем у воды».
Во время демонстрации синяя часть спектра рассеивается, превращаясь в воду небесно-голубого цвета. Через нее проходит красновато-желтый цвет. Вот почему мы видим белое солнце желтым, если смотреть на него через атмосферу.
Тот же принцип действует в оконном устройстве, но вместо воды в прозрачном пластике размещены наночастицы.
«Наша технология – это не искусственное освещение, а окно», – подчеркивает г-н Ди Трапани, – «Окно, воссоздающее бесконечное пространство, к которому человек привык за сотни тысяч лет».
Изобретатели видят в этом новую философию внутреннего освещения.
В отличие от ламп, которые формируют пятна света, напоминая нам об окружающей темноте, эти окна создают освещенный солнцем мир снаружи – мир, который можно выключить одним нажатием переключателя.
Гибкая электроника: светлое завтра?
Неорганические светодиоды имеют много преимуществ. Прежде всего, они яркие и эффективные. Однако органические светодиоды (OLED) обладают рядом уникальных качеств, которые открывают совершенно новые возможности.
В центре Holst в Эйндховене, Нидерланды, промышленные дизайнеры сотрудничают с учеными-материаловедами.
Они обмениваются идеями о том, как использовать гибкие органические светодиоды, новые пьезопласты и гибкие электронные компоненты в новых сенсорных и светопроизводящих устройствах.
«На самом деле можно подойти к проблеме с двух сторон. Ученые-материаловеды стремятся двигаться снизу вверх, от физики к механике, к принципу работы», – говорит Эрик Темпельман (Erik Tempelman), доцент кафедры конструкторских разработок в Технологическом университете Делфта и координатор проекта Light Touch Matters.
– «Дизайнеры, как правило, рассматривают вопрос со стороны: почему это имеет смысл для пользователя, почему кому-то это нравится».
Детская медицина является одной из областей, где интеллектуальная гибкая электроника может быть особенно полезна.
Лампочки в скатерти могут взаимодействовать с тарелками и посудой, придавая оттенок «волшебства» больничной еде.
«Мы хотим помочь госпитализированным детям. И мы расспрашивали врачей, что является самой большой проблемой для выздоровления ребенка, когда он находится в больнице. Например, мы общались с персоналом онкологических отделений, и одной из самых больших проблем является отсутствие аппетита – а хорошее питание служит залогом быстрого выздоровления», – объясняет Ханна-Луиза Йоханнесен (Hanne-Louise Johannesen), дизайнер из Diffus Design.
«Таким образом, идея заключалась в том, чтобы обдумать ситуацию с питанием и попытаться добавить волшебства».
Мишель Гульельми (Michel Guglielmi), другой дизайнер из Diffus Design, добавляет: «Для переноса тока из одной точки в другую здесь применяется традиционная техника вышивания, известная нам на протяжении тысячелетий».
Еще один пример – игрушечный браслет, который словно оживает при прикосновении или во время игры.
Это прекрасный способ отвлечь ребенка от неприятных медицинских процедур.
«Свет – это основной результат, который ребенок может наблюдать: что-то происходит, когда он взаимодействует с игрушкой. Таким образом, вы гладите его, чувствуете, что он гудит, а также видите, что он загорается», – говорит Ласло Херцег (László Herczeg), дизайнер из Fuelfor.
– «Свет обладает сильным эффектом, поскольку его легко понять».
Еще одной разработкой является прототип перчатки, которая помогает выздоравливающим пациентам тренировать поврежденную руку. Ее гибкая подсветка визуально помогает при выполнении упражнений.
«Самый большой светящийся элемент информирует о правильном или неправильном выполнении упражнения, а лампочки на пальцах загораются, когда они согнуты», – объясняет Дарио Прести (Dario Presti), инженер по электронному оборудованию из Grado Zero Espace.
В отличие от светодиодов, которые создают небольшие точки яркого света, органические светодиоды функционируют как красивые светящиеся поверхности.
Проблема заключается в том, что производство крупных органических светодиодов в вакуумных испарителях является сложным и очень дорогостоящим процессом.
Но европейские исследователи разрабатывают новую технологию печати OLED в рулонах, что потенциально может сделать источники света такими же большими и гибкими, как обои.
«Вместо использования сложного процесса мы пытаемся обратиться к своего рода печати, то есть мы хотим производить органические светодиоды таким же способом, как печатаются газеты», – говорит Пим Грон (Pim Groen), материаловед центра Holst и профессор по интеллектуальным материалам Технологического университета Делфта.
В прототипе линии для печати электрических цепей на прозрачной полимерной пленке используется серебряная краска. Для ускорения процесса машина сушит влажную краску мигающим светом.
«Если я прикоснусь здесь, я размажу краску. Поэтому мы используем установку, которая нагревает серебро световыми импульсами в течение короткого периода времени при высокой температуре. И если я прикоснусь к нему теперь, оно будет сухим», – рассказывает Роберт Аббель (Robert Abbel), исследователь-материаловед центра Holst, во время демонстрации технологии.
Продукт может стать базовым слоем для органических светодиодов с большой площадью. Для генерации света может потребоваться еще несколько слоев различных химических веществ. Поэтому исследования продолжаются.
Легкая закуска
Новые технологии освещения повышают уровень комфорта и создают фантастические возможности для разработки бытовой электроники будущего.
Но перспективы гораздо шире – даже в самых традиционных областях. Например, насколько безопасны наши сельскохозяйственные продукты? Новый прибор проливает свет на эту проблему.
Регион Венето в Италии славится своим вином и сыром.
Одна местная компания производит сыр моцарелла и другие молочные продукты с 19-го века.
Сыр упаковывается с использованием специальной смеси атмосферных газов, которая защищает пищу от порчи.
«Существуют определенные параметры, которые нужно соблюдать, и один из них – это уровень кислорода, который должен составлять менее пяти процентов», – поясняет Лоренцо Бруньера (Lorenzo Brugnera), президент компании Latteria di Soligo.
– «В настоящий момент мы осуществляем контроль вручную, проверяя некоторые упаковки в лаборатории».
Случайный образец прокалывается иглой. Датчик показывает уровень кислорода, но затем продукт необходимо повторно упаковывать.
Есть ли способ лучше? Да, и уже существует рабочий прототип.
«Упаковка, движущаяся на ленте транспортера, входит в измерительное устройство и проходит через лазер, который измеряет уровень кислорода в упаковке», – объясняет Паоло Тонделло (Paolo Tondello), инженер по электронному оборудованию и генеральный директор компании L Pro, рассказывая о новой лазерной технологии.
«Свет проходит через упаковку, взаимодействуя с молекулами кислорода внутри, что дает нам представление об уровне кислорода. И это все на основе совершенно неразрушающего, бесконтактного, исключительно оптического метода».
Этот процесс подходит для любых неметаллических контейнеров. Лазер малой мощности не повреждает упаковку и сохраняет пищу нетронутой.
Это позволяет проверять всю продукцию, а не только случайные образцы.
«Чтобы отличить один газ от другого, мы подсвечиваем его лазерным излучением с длиной волны, которая поглощается только определенным газом», – комментирует Лука Полетто (Luca Poletto), исследователь в области оптики Института фотоники и нанотехнологий CNR и координатор проекта Safetypack.
– «Измерив количество поглощаемого света, мы определяем концентрацию и давление этого конкретного типа газа внутри контейнера».
В настоящее время лазерные датчики проходят испытания на двух предприятиях пищевой промышленности. Исследователи отмечают, что крупные производители продуктов питания проявили интерес к технологии.
«Я уверен, что отрасль оценит эту технологию, которая позволяет контролировать 100 процентов продукции, обеспечивая гораздо более высокий уровень продовольственной безопасности», – утверждает г-н Тонделло.
От комфорта искусственного солнца до повышения здоровья и безопасности – яркие идеи европейских исследователей открывают наше будущее в новом свете.