Richard Baraniuk enthüllt die Geheimnisse der besten Tarnkünstler der Natur - die Kopffüßer.
Richard Baraniuk glaubt, dass das Tierreich eine Menge zu lehren hat, nicht nur für Wissenschaftler, die verstehen wollen, sondern auch für Ingenieure, die erschaffen wollen. Baraniuk, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Rice University, hilft bei der Entwicklung neuer Materialien für Verteidigungszwecke - inspiriert von der Haut von Meerestieren wie Tintenfischen, die sich unter Wasser tarnen können. Dieses Interview ist Teil einer speziellen EarthSky-Reihe, Biomimicry: Nature of Innovation, die in Zusammenarbeit mit Fast Company erstellt und von Dow gesponsert wurde.
Richard Baraniuk
Erzählen Sie uns von dem Projekt "Tintenfischhaut"
Zunächst möchten wir verstehen, wie Tintenfische und andere Kopffüßer sich vor dem Hintergrund einer Meeresumwelt auf so bemerkenswerte Weise tarnen. Sie fügen sich perfekt in den Hintergrund ein und verschwinden fast. Wir versuchen zu verstehen, wie sie dazu in der Lage sind und welche Mechanismen es gibt.
Wir wollen es sowohl von der sensiblen Seite der Dinge - wie sie die Lichtumgebung um sie herum wahrnehmen - als auch von einer anderen Seite verstehen Betätigung Seite der Dinge. Mit anderen Worten, wie sie tatsächlich die Organe in ihrer Haut steuern, um Licht aller Wellenlängen zu reflektieren und zu absorbieren. Und dann wollen wir aus neuronaler Sicht verstehen, wie sie über ein Steuersystem verfügen, das es der Wahrnehmung ermöglicht, diese Betätigung so zu steuern, dass sie sich in den Hintergrund einfügt.
Getarnte Krake. Bildnachweis: SteveD.
Ausgehend von diesem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis versuchen wir dann, eine synthetische Tintenfischhaut zu entwickeln, die die Augen durch Kameras und andere Arten von Lichtsensoren ersetzt, und die Haut durch ein Metamaterial zu ersetzen - moderne Materialien, die auf sehr starken Lichtreflexions- und -absorptionsfähigkeiten basieren auf der Nanotechnologie, die auch Licht bei allen Arten von Wellenlängen reflektieren und absorbieren kann - und schließlich ausgefeilte Computeralgorithmen entwickelt, mit denen die Haut so abgestimmt werden kann, dass sie sich wie der Tintenfisch selbst tarnt und sich perfekt in den Hintergrund einfügt.
Stellen Sie für uns eine Verbindung her zu dem, was Wissenschaftler von Meerestieren zu lernen und anzuwenden versuchen, die sich tarnen.
Es gibt drei grundlegende wissenschaftliche Ziele. Auf der Erfassungsseite wollen wir verstehen, wie Tintenfische und andere Kopffüßer dieses äußerst komplexe Lichtfeld erfassen können, das sie in einer Meeresumgebung umgibt. Jedes Mal, wenn Sie unter Wasser tauchen und sich umschauen, wird es extrem kompliziert. Es gibt Reflexionen von der Oberfläche, Reflexionen vom Boden und Licht aus allen Richtungen. Um sich zu tarnen, muss ein Tintenfisch in der Lage sein, sein gesamtes Lichtfeld zu erfassen.
Wir fangen gerade erst an, die Oberfläche des Verständnisses der Sensorsysteme zu zerkratzen. Wir wissen, dass Tintenfische und andere Kopffüßer sehr scharfe Augen haben und viel über ihre Umwelt sehen können, ähnlich wie Menschen sehen. Aber sie haben noch mehr. Sie können die Polarisation des Lichts spüren, was äußerst nützlich ist, um Licht zu verstehen, das von verschiedenen Objekten reflektiert wurde, Licht, das von weiter unten im Meer aufsteigt. Sie können in dieser Hinsicht besser sehen als Menschen.
Bigfin Reef Tintenfisch. Bildnachweis: Nick Hobgood
Das andere aus wissenschaftlicher und technischer Sicht äußerst aufregende Element ist, dass unser Mitarbeiter Roger Hanlon von der Woods Hole Oceanographic Institution herausgefunden hat, dass eine große Klasse von Kopffüßern tatsächlich über Lichtsensoren auf ihrer Haut verteilt ist. Sie können sich also den gesamten Körper eines Tintenfischs wie eine gigantische Kamera vorstellen, die Licht aus allen möglichen Richtungen über dem Tintenfisch, unter dem Tintenfisch und von allen Seiten erfassen kann. Wir sind also der Meinung, dass die Kombination der Augen und dieser verteilten Lichtsensoren die Möglichkeit bietet, sich in den Hintergrund einzufügen.
Die zweite Frage der Grundlagenforschung betrifft den Betätigungsmechanismus. Wie können Tintenfische und andere Kopffüßer tatsächlich ihre Farbe, ihr Reflexionsvermögen und ihre Leuchtkraft ändern? Dies ist der Teil des Projekts, der am besten verstanden wird. Wissenschaftler haben in den letzten Jahrzehnten herausgefunden, dass Kopffüßer Organe in ihrer Haut haben, die als Chromatophore, Iridophore und Leukophore bezeichnet werden. Diese drei Organe sind in der Lage, Licht mit unterschiedlichen Frequenzen zu absorbieren und zu reflektieren, sodass sich die Farbe ändert. Die Chromatophoren können beispielsweise Licht mit vielen verschiedenen Frequenzen absorbieren und so die Farbe ändern. Die Iridophore können Licht mit unterschiedlichen Frequenzen reflektieren. Und die Leukophore sind in der Lage, Licht zu streuen. Und so können sie mit diesem Arsenal dieser drei verschiedenen Elemente eine unglaubliche Vielfalt an Mustern erstellen, die dem Hintergrund ihrer Meeresumwelt entsprechen.
Die dritte wirklich interessante grundwissenschaftliche Frage betrifft den Aspekt des Nervensystems. Wie integriert der Tintenfisch oder ein anderer Kopffüßer all diese Informationen von diesen verteilten Lichtsensoren, von ihren Augen, verarbeitet diese Informationen und steuert dann die Aktoren - die Chromatophoren, Iridophoren und Leukophoren - so, dass sie nicht nur mit der Farbe verschmelzen von diesem Hintergrund aber mit den sehr subtilen Lichtvariationen, die Sie unter Wasser bekommen?
Neugieriger Kalmar in Indonesien. Bildnachweis: Nhobgood
Wir wissen, dass diese Materialien verwendet werden könnten, um Schiffe zu tarnen, die in verteidigungsähnlichen U-Booten eingesetzt werden. Erzählen Sie uns davon.
Wenn Sie sich mit den Grundprinzipien und der Architektur eines Tintenfischs vertraut gemacht haben, können wir uns vorstellen, eine synthetische Haut zu konstruieren, die beispielsweise die Lichtsensoren in der Haut und die Augen des Tintenfischs durch Kameras mit verteilten Lichtsensorsystemen ersetzt. Wir können die Haut durch Metamaterialien ersetzen, eine Technologie, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen reflektieren und brechen und diffus machen kann. Und wir können das Zentralnervensystem durch einen Computer ersetzen, der Hintergrundinformationen analysiert und diese Aktuatoren steuert.
Wenn wir das schaffen, können wir uns vorstellen, zum Beispiel Unterwasserfahrzeuge zu bauen, die mit diesem Metamaterial überzogen sind und auf die gleiche Weise funktionieren, wie ein Tintenfisch, um sich zu tarnen. Sie können unter dem Meer praktisch unsichtbar werden.
Sie könnten dies weiterführen und es aus dem Wasser nehmen. Wir sollten in der Lage sein, Fahrzeuge mit einer ähnlichen Art von Tintenfischhaut aus Metamaterial zu bedecken und Fahrzeuge verschwinden zu lassen, damit die Menschen beispielsweise kein Auto oder keinen LKW auf einem Feld sehen können. Sie könnten sich vorstellen, Fahrzeuge auf dem Boden zu bauen oder sogar Flugzeuge, die für Radar praktisch unsichtbar sind. Sie können sich also eine ganze Reihe neuer Stealth-Fahrzeuge vorstellen, die für neugierige Blicke unsichtbar sind.
Wir wissen, dass diese Arbeit auch die Bildgebungskapazität von Unterwasserschiffen verbessern kann. Erzählen Sie uns davon.
Kopffüßer haben nicht nur ein zentrales Lichterkennungssystem - ein Auge, das man sich vorstellen kann, wenn man es durch eine Digitalkamera ersetzt -, sondern auch Lichtsensoren, die über den gesamten Körper verteilt sind. In gewisser Weise gleicht ihr gesamter Körper einer riesigen Kamera mit verteilten Lichtsensoren. Wir fangen gerade an zu verstehen, dass wir dieses Konzept der verteilten Lichtsensorik nutzen können, um radikal neue Möglichkeiten der Bildgebung zu ermöglichen, um unter Wasser nicht nur bei sichtbaren Wellenlängen wie Licht sehen zu können, sondern möglicherweise auch akustische Wellenlängen verwenden zu können Verwenden Sie sonarähnliche Sondensysteme. Stellen Sie sich Fahrzeuge vor, die sich nicht nur in ihren Hintergrund einfügen, sondern auch ihren Hintergrund, andere Ziele im Hintergrund, herumschwimmende Fische, andere U-Boote usw. besser verstehen.
Wie wirkt sich dieses Projekt auf die Welt außerhalb des Labors aus?
Es bietet sich eine enorme Gelegenheit, einige dieser neuen technischen Lösungen anzuwenden. Die erste, auf der Seite der Metamaterialien, die eigentliche "Haut" -Seite - Metamaterialien sind äußerst vielversprechend für den Bau neuer Arten von Anzeigetechnologien. Stellen Sie sich sehr kostengünstige flexible Bildschirme vor, die für Computer und andere Arten von lesbaren Bildschirmen verwendet werden können. Stellen Sie sich sehr große Tafeln vor - eine ganze Wand Ihres Hauses, die ein riesiger Fernsehbildschirm ist.
Auf der lichtempfindlichen Seite gibt es die Idee, dass Tintenfische die verteilte Lichtempfindlichkeit verwenden, um ihre Umgebung zu verstehen. Wir können diese Ideen schließlich anwenden, um massive verteilte Kamerasysteme zu bauen. Stellen Sie sich ein Hintergrundbild vor, das Sie in Ihrem Haus an einer ganzen Wand anbringen, das in der Lage ist, alles im Raum und alles, was sich im Raum bewegt, dreidimensional zu rekonstruieren, was in Zukunft für Systeme der Art Virtual Reality und für die Sicherheit enorm nützlich wäre Anwendungen, für Überwachungszwecke.
Auf der Seite des Nervensystems können wir, je besser wir verstehen, wie Kopffüßer und Tintenfisch sich tatsächlich integrieren, die Informationen von den Sensoren zusammenführen und zur Steuerung der Aktuatoren verwenden, radikal neue Arten von Ure- und Sehsynthesetechniken entwerfen, die dies könnten Ermöglichen Sie neue Arten von Computergrafiken und computergenerierten Filmen und Spieletechnologien sowie die Analyse von Ureigenschaften - Techniken, um beispielsweise Personen in Szenen oder Fahrzeuge in Szenen zu erkennen. All diese Ideen beruhen auf dem besseren Verständnis, wie Kopffüßer erkennen und sich dann in den Hintergrund rücken.
Können wir für eine Minute zu der „Tintenfischhaut“ selbst zurückkehren? Wie verhält es sich mit echter Tintenfischhaut? Stellen Sie fest, wie das bei uns funktioniert.
Die von uns erstellte künstliche Tintenfischhaut ist direkt von unserem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis inspiriert, wie ein Kopffüßer Licht wahrnimmt, integriert und sich in den Hintergrund einfügt.
In unserer technischen Haut haben wir Digitalkameras, um die Augen zu ersetzen. In die Haut sind lichtempfindliche Dioden eingebettet, die Licht aus allen Richtungen der Haut wahrnehmen können. Dann haben wir die eigentliche Haut, die die Farben ändern kann. Und dort nehmen wir die Lichtaktivierungsorgane des Kopffüßers, der Chromatophoren, der Iridophoren und der Leukophoren und konstruieren sogenannte Metamaterialien, um deren Eigenschaften nachzuahmen. Metamaterialien sind moderne Materialien, die ein sehr starkes Licht reflektieren und absorbieren. Diese bestehen zum Beispiel aus Glaskugeln in Nanogröße und bedecken sie mit sehr feinen, dünnen Schichten aus Gold oder anderen Stoffen, damit wir Licht mit verschiedenen Frequenzen selektiv absorbieren oder reflektieren können.
Das dritte Element der Haut ahmt das Zentralnervensystem des Kopffüßers nach. Und hier setzen wir ausgefeilte Computeralgorithmen ein, um die von den verteilten Lichtsensoren und den Kameras eingehenden Informationen zu erfassen, den Hintergrund der Objekte zu verstehen, in die wir uns einmischen möchten, und dann elektrische Steuersignale zu generieren, die werden dann verwendet, um die Metamaterialien so zu steuern, dass sie Licht mit genau den richtigen Frequenzen absorbieren und reflektieren, so dass sich die Haut in den Hintergrund einfügt.
Was denken Sie über Biomimikry? Lernen Sie, wie die Natur Dinge tut, und wenden Sie dieses Wissen auf menschliche Probleme an?
Ich glaube, das Tierreich hat viel zu lehren, nicht nur Wissenschaftler, die es verstehen wollen, sondern auch Ingenieure, die es schaffen wollen.
Was mich an der Biomimik im Allgemeinen erstaunt, ist, dass je mehr wir verstehen, wie Tiere arbeiten und Informationen verarbeiten, desto mehr erfahren wir, dass sie im Laufe der Zeit - dank der Evolution - optimal oder nahezu optimal angenommen wurden Lösungen, der bestmögliche Weg, um ein Problem zu lösen.
Ein gutes Beispiel aus früheren Arbeiten, die ich in meiner Karriere gemacht habe, sind Fledermäuse, die in den dunklen Jagdmotten herumfliegen. Und sie benutzen tatsächlich Sonar. Sie nutzen die Echolokalisierung. Erstaunlich ist, dass die Fledermaus tatsächlich eine mathematisch optimale Wellenform verwendet, die sie ausruft, um sowohl die Position der Motten als auch ihre Fluggeschwindigkeit zu ermitteln, sodass sie in einer Nacht die meisten Fänge erzielen können.
Ich denke, dass wir im Ingenieurwesen gerade erst begonnen haben, Systeme zu entwickeln, die sich der Komplexität biologischer Systeme annähern. Wenn Sie sich zum Beispiel die kompliziertesten Systeme der Welt ansehen, wie das Space Shuttle mit Millionen von Teilen, dann sprechen wir über Systeme mit Milliarden, Billionen von Teilen, sobald wir uns in der Tierwelt befinden. Um hier voranzukommen, müssen wir meiner Meinung nach einige der Strategien anwenden, die wir aus der Biologie lernen können.