让科幻成为现实的“超材料”,商业潜力有多大?

神译局2021-05-07
“超材料”具有强大的商业潜力。

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编者按:“超材料”,其结构比可见光、无线电波和其他类型的电磁辐射的波长还要细,具有强大的商业潜力,遍及智能手机、增强现实眼镜、激光雷达、送货无人机和移动家居机器人。本文译自The New York Times,作者是约翰·马尔科夫(John Markoff),原标题为" These Materials Could Make Science Fiction a Reality ",希望对您有所启发。

请你想象一下,就像《钢铁侠》(Iron Man)中的托尼·斯塔克(Tony Stark)那样,人可以通过在空中挥舞双手,来操作电脑。或者像哈里森·福特(Harrison Ford)在《银翼杀手》(Blade Runner)中饰演的角色那样,用智能手机放大一个物体。或者是下一代视频会议,增强现实眼镜使观看3D化身成为可能。或者新一代能够在城市交通中安全驾驶的自动驾驶汽车。

由于“超材料”的存在,这些先进技术以及其他许多即将出现的技术,都有可能实现,它使控制光束成为可能,就像计算机芯片控制电力一样简单。

“超材料”一词指的是一大类人造材料,其结构比可见光、无线电波和其他类型的电磁辐射的波长还要细。综上所述,它们现在能让工程师们在设计新型的超堆传感器时拥有非凡的控制权,这些传感器的范围从望远镜镜头到红外温度计。

“我们正在进入超材料的消费阶段,”黄艾伦(Alan Huang)说,他是硅谷咨询公司Terabit公司的首席技术官,在贝尔实验室(Bell Labs)的12年里,他做了光学计算的早期研究。“它将超越相机和投影仪,带来我们意想不到的东西。”这真是一片梦幻之地。”

第一个利用廉价的超材料的消费产品,将会是智能手机,它将提高超材料的性能,但以新的方式控制光波的能力,也将很快使增强现实眼镜等产品成为可能,这种眼镜将计算机化的图像叠加在现实世界上。

这些技术本身并不新鲜。早在19世纪,法国物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)就提出了利用一系列同心凹槽聚光,使光学透镜变平、变亮的想法。超材料背后的一个关键创新是,它们是由比它们设计用来操纵的辐射波长还小的子组件构成的。

例如,要用超材料制造透镜,你需要将硅(也就是玻璃)切得足够薄,使其透明,然后你可以在薄薄的玻璃层中嵌入结构,使光线通过时聚焦。

微软研究院(Microsoft Research)前负责人、物理学家内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)是最早意识到超材料商业潜力的人之一。

 “我刚开始研究这个项目的时候,争议很大。”梅尔沃尔德说,“有些科学家说这是一派胡言。”

从那时起,梅尔沃德已经创立了六家基于超材料技术的公司。其中几家公司正在追求消费者光学市场,包括总部位于西雅图的Lumotive公司,该公司正在开发一种没有移动部件的激光雷达成像系统。

激光雷达利用激光绘制周围物体的精确地图,最远可达数百码。激光雷达被开发自动驾驶汽车的公司广泛使用,如今它们大多是机械系统,可以快速旋转激光束来绘制地图。

相比之下,Lumotive公司使用最初为平板开发的液晶显示技术,来“控制”一束激光。由此产生的系统比机械激光雷达便宜得多,这使得它们有可能应用于一系列新的应用,比如送货无人机、自动驾驶汽车和智能吸尘器等移动家居机器人。

由于汽车行业内已经充斥着许多激光雷达制造商,Lumotive公司的管理人员已经将他们的努力重新集中在家用和工业机器人的新市场上。他们还没有宣布客户。

Lumotive的首席执行官兼联合创始人比尔·科勒兰(Bill Colleran)说,“我们正朝着一个方向前进,我们拥有的另一个特性,就是能够将这些东西缩小到非常小的规模,这使我们与众不同。”

另一家试图利用超材料潜力的公司是2017年由罗伯特·德夫林(Robert Devlin)和费德里科·卡帕索(Federico Capasso)创立的Metalenz公司,目前正在研究一种利用强大而廉价的计算机芯片制造技术,制造光学透镜的新方法。

许多类型的超材料,正在使用制造计算机芯片的相同设备来制造。这一发现意义重大,因为它预示着一代廉价的照明芯片的诞生,就像20世纪60年代计算机芯片能够利用电力一样。这一创新催生了一个庞大的新消费行业:电子表、视频游戏、个人电脑等,都是由在硅上蚀刻电路的能力发展而来的。

借助微芯片技术,可以廉价制造数以万计,甚至数以百万计的二维透镜,这些透镜可以根据镶嵌在其表面的透明材料的模式来弯曲光线,其成本仅为当今光学透镜的很小一部分。

这些公司必须回答的问题是,他们能否提供足够的改进性能和更低的成本,以说服制造商放弃目前使用的组件(在这里是廉价的塑料镜片)。

这项新技术的第一步,显然是取代智能手机中的塑料镜片,Metalenz公司将于明年开始这样做,但这只是超材料的第一个大众市场。据德夫林介绍,机器人还将应用于控制我们与计算机和汽车安全系统的交互方式,以及提高廉价机器人在拥挤环境中的移动能力。

据报道,苹果公司正在设计一个系统,该系统可以把许多智能手机功能,最终转移到轻薄的眼镜上。

 “主要问题之一是体积和重量。” OpenCV公司的首席技术专家加里·布拉斯基(Gary Bradski)说,Ai是一款免费机器视觉软件的开发者。“我的意思是,你的鼻子能承受多少重量?”

轻盈是Metalenz公司提供的一个产品优势,该公司展示了具有超细透明结构的二维硅超薄透镜,每个透镜的波长都小于光的波长。然而,制造像集成电路一样的透镜还有其他重要的优点。

“你从超材料或超表面得到的最强大的东西之一,是真正降低系统复杂性的能力,同时提高整体性能,”德夫林说,“因此,由于体积大、体积大、价格昂贵,一直被锁在实验室里的医疗或科学应用,现在将以可以安装在每个人手机上的价格提供。”

一项早期的功能,将使将传感器直接放置在智能手机显示屏后面成为可能,将使用手机的整个表面区域成为可能。它还将简化“结构光”传感器,这些传感器投射用于人脸识别的点的模式。

微电子学最强大的特性,是能够在几十年的时间里缩小电路的规模,使它们更快、更强大、更便宜。以类似的方式,超材料将改变设计师驾驭光束的方式。

例如,科学家们正在完成一个先进的毫米望远镜,计划明年安装在智利(Chile)的西蒙斯天文台(Simons Observatory),他们转向了超材料用于覆盖望远镜内部的瓦片,以捕捉几乎所有的杂散光。宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)天文学和天体物理学教授马克·德夫林(Mark Devlin)(与Metalenz的创始人没有关系)说,落在瓷砖表面的光子会被一个超小的锥状结构的表面捕获。德夫林领导了该望远镜的设计。

“这些瓷砖重量轻,价格便宜,容易安装,”他说,“而且它们不会脱落。”

译者:TeresaChen

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