Рубрика: Технології

Метод повнокольорового 3D-дисплею демонструє потенціал для покращення досвіду доповненої та віртуальної реальності. Вчені створили метод створення 3D-повнокольорових голографічних зображень за допомогою екранів смартфонів замість лазерів. Ця інноваційна техніка з додатковими вдосконаленнями має потенціал для дисплеїв доповненої або віртуальної реальності.

Незалежно від того, чи використовуються дисплеї доповненої та віртуальної реальності для ігор, освіти чи інших додатків, включення 3D-дисплеїв може створити більш реалістичний та інтерактивний досвід користувача.

«Хоча методи голографії можуть створити дуже реалістичне 3D-зображення об’єктів, традиційні підходи непрактичні, оскільки вони покладаються на лазерні джерела», — сказав керівник дослідницької групи Ріоічі Хорісакі з Токійського університету в Японії. «Лазери випромінюють когерентне світло, яким легко керувати, але вони роблять систему складною, дорогою та потенційно шкідливою для очей».

У журналі видавничої групи Optica Publishing Group Optics Letters дослідники описують свій новий метод, який базується на комп’ютерній голографії (CGH). Завдяки новому алгоритму, який вони розробили, вони змогли використовувати лише iPhone і оптичний компонент під назвою просторовий модулятор світла для відтворення кольорового 3D-зображення, яке складалося з двох голографічних шарів.

«Ми вважаємо, що цей метод зрештою може бути корисним для мінімізації оптики, зниження витрат і потенційної шкоди для очей у майбутніх візуальних інтерфейсах і 3D-дисплеях», — сказав Отоя Сігемацу, перший автор статті. «Більш конкретно, він має потенціал для підвищення продуктивності дисплеїв поблизу очей, таких як ті, що використовуються в високоякісних гарнітурах віртуальної реальності».

Більш практичний підхід

Хоча CGH використовує алгоритми для створення зображень, для відображення цих голографічних зображень зазвичай потрібне когерентне світло від лазера. У попередньому дослідженні дослідники показали, що просторово-часове некогерентне світло, випромінюване білим вбудованим світлодіодом, можна використовувати для CGH. Однак ця установка вимагала двох просторових модуляторів світла — пристроїв, які контролюють хвильові фронти світла — що непрактично через їхню вартість.

У новому дослідженні дослідники розробили менш дорогий і більш практичний некогерентний метод CGH. «Ця робота узгоджується з фокусом нашої лабораторії на обчислювальній візуалізації, дослідницькій галузі, присвяченій інноваційним оптичним системам візуалізації шляхом інтеграції оптики з інформатикою», — сказав Хорісакі. «Ми зосереджуємося на мінімізації оптичних компонентів і усуненні непрактичних вимог у звичайних оптичних системах».

Новий підхід пропускає світло від екрана через просторовий модулятор світла, який представляє кілька шарів повнокольорового 3D-зображення. Хоча це може здатися простим, це вимагало ретельного моделювання процесу некогерентного поширення світла від екрана, а потім використання цієї інформації для розробки нового алгоритму, який координував світло, що надходить від екрана пристрою, за допомогою одного просторового модулятора світла.

Голографічні зображення зі смартфона

«Голографічні дисплеї, які використовують світло з низькою когерентністю, можуть забезпечити реалістичні 3D-дисплеї, потенційно зменшуючи витрати та складність», — сказав Шігемацу. «Хоча кілька груп, включаючи нашу, продемонстрували голографічні дисплеї з використанням низькокогерентного світла, ми довели цю концепцію до крайності, використовуючи дисплей смартфона».

Щоб продемонструвати новий метод, дослідники створили двошарове оптичне відтворення повнокольорового 3D-зображення, відобразивши один голографічний шар на екрані iPhone 14 Pro, а другий — на просторовому модуляторі світла. Отримане зображення має розміри кількох міліметрів з кожного боку.

Зараз дослідники працюють над вдосконаленням технології, щоб вона могла відображати більші 3D-зображення з більшою кількістю шарів. Додаткові шари зроблять зображення більш реалістичними, покращуючи просторову роздільну здатність і дозволяючи об’єктам відображатися на різних глибинах або відстанях від глядача.

Американські військові переглядають підхід до виробництва зброї, спрямованої на придушення та знищення дрібних дронів, які створюють Іран та Китай. Ракети ППО проти рою дронів неефективні, тому планується оснащувати армію більш технологічними рішеннями.

Пол Шарр, виконавчий віце-президент і директор з досліджень Центру американської безпеки (CNAS), вважає, що знищення дрона вартістю тисяча доларів за допомогою ракети вартістю мільйон доларів не є економічно ефективним рішенням. Такі БПЛА змушують військових витрачати боєприпаси, що може зробити їх уразливими для атак більшими ракетами. Але збивати дрони необхідно, тому США розробляють ефективні технології проти повітряних загроз, таких як безпілотники.

Антидронова повітряна система Leonidas компанії Epirus генерує потужний мікрохвильовий промінь, що викликає перевантаження електроніки дрона, на який він впливає. У кращому випадку електроніка дає збій, у гіршому повністю згоряють всі її компоненти. Таким чином, мікрохвильова зброя ефективно знищує дрони в небі. На відміну від радіоелектронної боротьби, що вносить перешкоди радіозв’язку, мікрохвильова зброя знищує дрон.

Компанія Epirus вперше продемонструвала Leonidas у 2020 році та представила модель третього покоління у 2022 році. У ході випробувань Leonidas збив 66 із 66 дронів-мішеней.

Випромінювач цієї мікрохвильової установки є не традиційною тарілковою антеною, а плоскою пластиною діаметром близько 3 м. Це пов’язано з тим, що пристрій заснований на масиві твердотільних блоків з нітриду галію, що нагадують світлодіоди, але виробляють радіохвилі, а не світло. Такі випромінювачі компактніші, ніж магнетрони, що використовуються в традиційних радарах. Комп’ютерний контролер регулює вихідний сигнал кожного чіпа в масиві, щоб формувати та спрямовувати промінь з високою точністю.

Компанія Epirus вже передала армії США системи Leonidas. Вони можуть бути ідеальними для боротьби з роями дронів. Пол Шарр зазначає, що застосування зброї спрямованої енергії для боротьби з дронами вигідно економічно і за своєю точністю вона не поступається ракетам ППО.

Ми чуємо про створення метаматеріалів, властивості яких такі химерні, що вони поєднують непоєднувані в природі характеристики від твердості та пружності до невидимості, звукоізоляції та інших. Вчені зі США проробили щось подібне в галузі рідких речовин. Створену в Гарварді метарідкість можна програмувати на ті чи інші якості: змінювати в’язкість, прозорість, силу стиснення або навіть перетворювати з ньютонівської на неньютонівську і назад.

З метаматеріалами просто, якщо так можна сказати. Їх характеристики визначає продумана структура з дрібніших компонентів. Форма, розмір та розташування цих компонентів дозволяють маніпулювати розповсюдженням електромагнітних або звукових хвиль, створювати зусилля у певних точках та розслабляти в інших. Якщо зважити на той факт, що рідини течуть і набувають форми ємності, то метарідкості можуть проявити себе там, де тверді метаматеріали себе ще не проявили або в принципі не можуть проявити.

«На відміну від твердих метаматеріалів, метарідини мають унікальну здатність текти і пристосовуватися до форми свого контейнера, — говорить Катя Бертольді (Katia Bertoldi), перший автор дослідження, вчений з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук (SEAS). — Нашою метою було створити метарідкість, яка не тільки має ці чудові властивості, а й забезпечує платформу для програмованої в’язкості, стисливості та оптичних властивостей».

Запропонована вченими метарідкість є завись наповнених повітрям кульок з еластомеру діаметром від 50 до 500 мкм. Крихітні кульки поміщені в розчин силіконової олії. Якщо до контейнера з кульками додати тиск, то вони стискатимуться і знову прийматимуть круглу форму, коли тиск спаде. Кожен із цих двох станів надає метарідкості свої унікальні властивості.

Наприклад, коли тиску немає, кульки залишаються круглими і розсіюють падаючий на них світло. З подачею тиску кульки набувають плоскої лінзоподібної форми і починають пропускати фонове зображення. На даному ефекті можна уявити роботу кольорового електронного чорнила. Або інший приклад — це кисть робота зі зворотним зв’язком для м’якого захоплення крихких предметів. Метажідкість автоматично без датчиків тиску тільки шляхом своєї здатності реагувати на зовнішній тиск регулює силу стиснення: одну при зніманні ягід, іншу при збиранні яєць і третю при підйомі ваги.

Також запропонована вченими метарідкість може перемикатися між ньютонівськими та неньютонівськими рідинами. Коли капсули мають сферичну форму — це ньютонівська система, тобто її в’язкість змінюється тільки з температурою, подібно до води, але коли вони стискуються, рідина стає неньютонівською, що змушує її в’язкості діяти за іншими законами.

Крім наведених вище прикладів метарідкость може використовуватися в амортизаторах, які отримають здатність розсіювати енергію удару і навіть у водяних комп’ютерах, граючи роль логіки. Нарешті, навіть властивості вигаданої метарідкості можна буде змінювати в широких межах, змінюючи лише розмір кульок у ній, про що вчені розповіли у роботі, опублікованій у журналі Nature.

Професор Джіюн Кім і його команда з Департаменту матеріалознавства та інженерії Ульсанського національного інституту науки і технологій (UNIST) розробили новаторську технологію, здатну ідентифікувати людські емоції в реальному часі. Ця передова інновація має зробити революцію в різних галузях промисловості, включаючи носимі системи наступного покоління, які надають послуги на основі емоцій.

Розуміння та точне вилучення емоційної інформації вже давно є проблемою через абстрактну та неоднозначну природу людських афектів, таких як емоції, настрої та почуття. Щоб вирішити цю проблему, дослідницька група розробила мультимодальну систему розпізнавання людських емоцій, яка поєднує вербальні та невербальні дані для ефективного використання повної емоційної інформації.

Інновації в носимих технологіях

В основі цієї системи лежить система персонального інтегрованого в шкіру лицевого інтерфейсу (PSiFI), яка є автономною, легкою, розтяжною та прозорою. Він оснащений першим у своєму роді двонаправленим трибоелектричним датчиком деформації та вібрації, який дозволяє одночасно сприймати та інтегрувати вербальні та невербальні дані. Система повністю інтегрована зі схемою обробки даних для бездротової передачі даних, що дозволяє розпізнавати емоції в реальному часі.

Використовуючи алгоритми машинного навчання, розроблена технологія демонструє точні завдання розпізнавання людських емоцій у реальному часі, навіть якщо люди носять маски. Система також була успішно застосована в програмі цифрового консьєржа в середовищі віртуальної реальності (VR).

Технологія заснована на явищі «заряджання тертям», коли об’єкти під час тертя поділяються на позитивні та негативні заряди. Примітно, що система є самогенеруючою, не потребуючи зовнішнього джерела живлення чи складних вимірювальних пристроїв для розпізнавання даних.

Налаштування та розпізнавання в реальному часі

Професор Кім прокоментував: «Грунтуючись на цих технологіях, ми розробили систему інтегрованого в шкіру інтерфейсу обличчя (PSiFI), яку можна налаштувати для окремих людей». Команда використала техніку напівзатвердіння для виготовлення прозорого провідника для фрикційних електродів. Крім того, персоналізована маска була створена з використанням техніки багаторакурсної зйомки, що поєднує в собі гнучкість, еластичність і прозорість.

Дослідницька група успішно інтегрувала виявлення деформації м’язів обличчя та вібрації голосових зв’язок, дозволяючи розпізнавати емоції в реальному часі. Можливості системи були продемонстровані в додатку віртуальної реальності «цифровий консьєрж», де надавалися індивідуальні послуги на основі емоцій користувачів.

Джин Піо Лі, перший автор дослідження, заявив: «Завдяки цій розробленій системі можна реалізувати розпізнавання емоцій у реальному часі лише за кілька кроків навчання та без складного вимірювального обладнання. Це відкриває можливості для портативних пристроїв розпізнавання емоцій і цифрових платформ наступного покоління на основі емоцій».

Дослідницька група провела експерименти з розпізнавання емоцій у реальному часі, збираючи мультимодальні дані, такі як деформація м’язів обличчя та голос. Система показала високу точність емоційного розпізнавання з мінімальним навчанням. Його бездротовий зв’язок із можливістю налаштування забезпечує зручність носіння та зручність.

Крім того, команда застосувала систему до середовищ віртуальної реальності, використовуючи її як «цифрового консьєржа» для різних умов, включаючи розумні будинки, приватні кінотеатри та розумні офіси. Здатність системи визначати індивідуальні емоції в різних ситуаціях дозволяє надавати персоналізовані рекомендації щодо музики, фільмів і книг.

Професор Кім підкреслив: «Для ефективної взаємодії між людьми та машинами пристрої людино-машинного інтерфейсу (HMI) повинні бути здатні збирати різні типи даних і обробляти складну інтегровану інформацію. Це дослідження є прикладом потенціалу використання емоцій, які є складними формами людської інформації, у носимих системах наступного покоління».

Дослідники з Технічного університету Данії (DTU) успішно застосували квантове шифрування для безпечної передачі інформації на відстань 100 кілометрів через оптоволоконний кабель, приблизно таку ж відстань, як між Оксфордом і Лондоном.

Вчені Технічного університету Данії (DTU) досягли прориву в захищеному зв’язку, розповсюдивши квантово-безпечний ключ за допомогою безперервного розподілу квантового ключа (CV QKD). Ця команда встановила новий рекорд, зробивши техніку ефективною на безпрецедентній дистанції в 100 кілометрів, найбільшій відстані, досягнутій за допомогою CV QKD. Перевагою методу є те, що його можна застосувати до існуючої інфраструктури Інтернету.

Квантові комп’ютери загрожують існуючим шифруванням на основі алгоритмів, які зараз захищають передачу даних від прослуховування та стеження. Вони ще не настільки потужні, щоб їх зламати, але це питання часу. Якщо квантовому комп’ютеру вдається розробити найбезпечніші алгоритми, він залишає відкритими двері для всіх даних, підключених через Інтернет. Це прискорило розробку нового методу шифрування, заснованого на принципах квантової фізики.

Але щоб досягти успіху, дослідники повинні подолати одну з проблем квантової механіки – забезпечення узгодженості на великих відстанях. Безперервний змінний квантовий розподіл ключів наразі найкраще працював на коротких відстанях.

«Ми досягли широкого діапазону покращень, особливо щодо втрати фотонів на цьому шляху. У цьому експерименті, опублікованому в Science Advances, ми безпечно розповсюдили квантово-зашифрований ключ на 100 кілометрів через оптоволоконний кабель. Це рекордна відстань із цим методом», — каже Тобіас Герінг, доцент DTU, який разом із групою дослідників DTU прагне поширювати квантово-зашифровану інформацію по всьому світу через Інтернет.

Секретні ключі від квантових станів світла

«Коли дані потрібно надіслати з А в Б, вони повинні бути захищені. Шифрування поєднує дані з безпечним ключем, розподіленим між відправником і одержувачем, щоб обидва могли отримати доступ до даних. Третя сторона не повинна мати можливість визначити ключ під час його передачі; інакше шифрування буде скомпрометовано. Тому обмін ключами є важливим для шифрування даних.

Квантовий розподіл ключів (QKD) — це передова технологія, над якою працюють дослідники для важливих обмінів. Технологія забезпечує обмін криптографічними ключами за допомогою світла від квантово-механічних частинок, званих фотонами.

Коли відправник надсилає інформацію, закодовану у фотонах, квантово-механічні властивості фотонів використовуються для створення унікального ключа для відправника та одержувача. Спроби інших виміряти або спостерігати фотони в квантовому стані миттєво змінять їхній стан. Отже, фізично можливо виміряти світло лише шляхом збурення сигналу.

«Неможливо зробити копію квантового стану, як при копіюванні аркуша формату А4 – якщо спробувати, то буде неповноцінна копія. Це гарантує, що неможливо скопіювати ключ. Це може захистити критичну інфраструктуру, таку як медичні записи та фінансовий сектор, від злому», – пояснює Тобіас Герінг.

Працює через існуючу інфраструктуру

Технологію постійного змінного квантового розподілу ключів (CV QKD) можна інтегрувати в існуючу інтернет-інфраструктуру.

«Перевага використання цієї технології полягає в тому, що ми можемо створити систему, яка нагадує те, на що вже спирається оптичний зв’язок».

Основою Інтернету є оптичний зв’язок. Він працює, надсилаючи дані через інфрачервоне світло, що проходить через оптичні волокна. Вони функціонують як світловоди, прокладені в кабелях, забезпечуючи надсилання даних по всьому світу. Дані можна надсилати швидше та на більшу відстань через волоконно-оптичні кабелі, а світлові сигнали менш сприйнятливі до перешкод, які технічною мовою називають шумом.

«Це стандартна технологія, яка використовується протягом тривалого часу. Отже, вам не потрібно винаходити нічого нового, щоб мати можливість використовувати його для розповсюдження квантових ключів, і це може значно здешевити впровадження. І ми можемо працювати при кімнатній температурі», — пояснює Тобіас Герінг, додаючи:

«Але технологія CV QKD найкраще працює на коротших відстанях. Наше завдання — збільшити дистанцію. І 100 кілометрів – це великий крок у правильному напрямку».

Шум, помилки та допомога від машинного навчання

Дослідникам вдалося збільшити відстань, звернувшись до трьох факторів, які обмежують їх систему в обміні квантово-зашифрованими ключами на більшій відстані:

Машинне навчання забезпечило попередні вимірювання збоїв, що впливають на систему. Шум, як називають ці збурення, може виникати, наприклад, через електромагнітне випромінювання, яке може спотворювати або руйнувати квантові стани, що передаються. Раніше виявлення шуму дозволило більш ефективно зменшити його відповідний ефект.

Крім того, дослідники стали кращими у виправленні помилок, які можуть виникнути під час роботи, які можуть бути спричинені шумом, перешкодами або недосконалістю апаратного забезпечення.

«У нашій майбутній роботі ми будемо використовувати цю технологію для встановлення захищеної мережі зв’язку між міністерствами Данії, щоб убезпечити їхній зв’язок. Ми також спробуємо згенерувати секретні ключі між, наприклад, Копенгагеном і Оденсе, щоб компанії з філіями в обох містах могли встановлювати квантово безпечний зв’язок», — говорить Тобіас Герінг.