Появление микросхем в 1960-х гг. привело к технологической революции. Аналогичным образом сейчас мы вступаем в эру массового применения метаматериалов. Они компактны и расширяют возможности управления световыми волнами. Спектр их применения довольно широк — от смартфонов и фотокамер до беспилотного транспорта. Рассмотрим основных игроков на этом рынке и их планы.
Метаматериалы: как новая технология может изменить потребительскую электронику
Елена Лиханова
Представьте, что управляете компьютером, двигая руками в воздухе, как это делает Тони Старк в фильме «Железный человек». Или используете смартфон, чтобы увеличить объект, как персонаж Харрисона Форда в «Бегущем по лезвию». Или участвуете в видеоконференции, просматривая трехмерные аватары с помощью AR-очков. Или безопасно перемещаетесь по городу на автономном транспорте.
Все это станет возможно благодаря метаматериалам. Они позволяют манипулировать лучами света так же легко, как компьютерные чипы управляют электричеством.
Термин «метаматериалы» означает широкий класс материалов промышленного изготовления. Они состоят из структур определенного размера, который должен быть меньше, чем длина волны, которой нужно управлять. Это может быть видимый свет, радиоволна или другие типы электромагнитного излучения. Метаматериалы дают инженерам невиданные возможности для разработки новых разновидностей сверхдешевых датчиков, от телескопической линзы до инфракрасного термометра.
«Мы вступаем в фазу потребления метаматериалов, — говорит Алан Хуан, CTO Terabit Corporation, консалтинговой компании из Кремниевой долины. Он начинал изучать оптические вычисления еще в Bell Labs, где проработал 12 лет. — Это выйдет далеко за рамки камер и проекторов и приведет к тому, чего мы не ожидаем».
Смартфоны станут первой потребительской категорией, которая выиграет от появления недорогих метаматериалов. Возможность по-новому управлять световыми волнами также расширит функционал очков дополненной реальности, которые накладывают компьютерные изображения на реальный мир.
Сама по себе технология далеко не новая. В начале 19 века французский физик Огюстен Жан Френель предложил сделать оптические линзы более плоскими и светлыми, используя серии концентрических канавок для фокусировки света. Основная инновация в основе метаматериалов — то, что они содержат субкомпоненты. Они должны быть короче, чем длина волны того типа излучения, для которого предназначен материал.
Скажем, чтобы создать линзу из метаматериалов, нужно нарезать кремний так тонко, чтобы он был прозрачным, а затем встроить полученные структуры в тонкий слой стекла, который будет фокусировать солнечные лучи, проходящие сквозь материал.
Одним из первых, кто оценил коммерческий потенциал метаматериалов, был Натан Мирвольд, физик и бывший руководитель Microsoft Research.
«Когда я впервые занялся этим, это была довольно спорная тема, — рассказывает он. — Были ученые, которые говорили, что все это чушь».
С тех пор Мирвольд основал несколько компаний, которые занимались метаматериалами. Некоторые из них специализируются на потребительской оптике, в том числе Lumotive из Сиэтла, которая разрабатывает лидарную систему визуализации без движущихся частей.
Лидары используют лазеры для создания точных карт окружающих объектов на расстоянии до сотен ярдов. Их широко применяют разработчики беспилотного транспорта. Сейчас лидары — это преимущественно механические системы, которые быстро вращают лазерный луч, чтобы создать карту.
Однако Lumotive использует для управления лазерным лучом технологию жидкокристаллического дисплея, первоначально разработанную для плоских панелей. Полученная система намного дешевле, чем механический лидар, что позволяет расширить спектр его применения. Потенциально его можно будет использовать в беспилотниках, самоуправляемых автомобилях и мобильных домашних роботах, например интеллектуальных пылесосах.
Поскольку в автопроме присутствует уже много производителей лидаров, руководство Lumotive переориентировалось на новые рынки для домашних и промышленных роботов. Пока компания еще сообщала, кто станет ее клиентами.
Билл Коллеран, исполнительный директор и соучредитель Lumotive, рассказывает: его компания работает над одним из ключевых преимуществ технологии — возможностью масштабировать устройства до очень небольшого размера.
Metalenz — еще одна компания, которая пытается использовать потенциал метаматериалов. Она основана в 2017 году Робертом Девлином и Федерико Капассо. В настоящее время Metalenz разрабатывает новый способ производства оптических линз с использованием мощных и недорогих технологий изготовления компьютерных чипов.
Многие разновидности метаматериалов производятся на том же оборудовании, что и компьютерные чипы. Это важно, потому что это предвещает поколение недорогих чипов, которые используют свет, во многом так же, как компьютерные чипы могли использовать электричество в 1960-х годах. Эта инновация привела к появлению новой потребительской индустрии: электронных часов, видеоигр, а затем и персональных компьютеров. Все это появилось благодаря возможности создавать микросхемы.
Используя технологию микрочипов, можно будет изготовить десятки тысяч или даже миллионы двумерных линз, способных менять направление света. Они будут стоить намного дешевле, чем современная оптика.
Однако производителям метаматериалов стоит решить проблему улучшенной производительности и гарантировать снижение затрат, чтобы убедить производителей отказаться от текущих компонентов (в данном случае от дешевых пластиковых линз).
Очевидным первым шагом будет применение технологии в смартфонах: сейчас в них используют пластиковые линзы. Именно этим Metalenz планирует заняться в следующем году. По словам Девлина, в будущем появятся приложения для управления взаимодействием с компьютерами и системами безопасности автомобилей, а также для улучшения способности недорогих роботов перемещаться в переполненных средах.
Сообщается, что Apple работает над дизайном системы, которая перенесет многие функции смартфона в тонкие и легкие очки.
«Одни из главных проблем — объем и вес. Я имею в виду, сколько сможет выдержать ваш нос?» — объясняет Гэри Брэдски, главный технолог компании OpenCV.ai, разработчик открытого ПО для машинного зрения.
Легкость — это то преимущество, которое может предложить Metalenz. Проект уже продемонстрировал ультратонкие линзы из двумерного кремния с узором из сверхтонких прозрачных структур, каждая из которых короче световой волны. Однако создание линз, подобных интегральным схемам, дает и другие важные преимущества.
«Одна из самых впечатляющих возможностей метаматериалов или метаповерхностей — способность упростить системы и одновременно повысить общую производительность», — говорит Девлин.
«Таким образом, медицинские или научные приложения, которые были заперты в лабораториях из-за их величины, неудобства и дороговизны, теперь будут помещаться в любой смартфон», — добавляет он.
Одной из первых возможностей станет возможность размещения датчиков непосредственно за дисплеями смартфонов, что позволит использовать всю площадь поверхности телефона. Это также упростит датчики «структурированного света», которые проецируют узоры точек, используемые для распознавания лиц.
Самым мощным свойством микроэлектроники была способность уменьшать масштаб схем, делая их более быстрыми, мощными и менее дорогими в течение многих десятилетий. Подобным же образом метаматериалы изменят то, как инженеры используют лучи света.
Например, ученые, которые завершают строительство усовершенствованного миллиметрового телескопа, который планируется установить в обсерватории Саймонса в Чили в следующем году, используют метаматериалs для создания плиток, покрывающих внутреннюю часть телескопа и захватывающих практически весь рассеянный свет. Профессор астрономии и астрофизики в Университете Пенсильвании Марк Девлин (не имеет отношения к основателю Metalenz), который руководит разработкой телескопа, объясняет, что фотоны на поверхности плиток улавливаются поверхностью сверхмалых конусообразных структур.
«Плитка легкая, дешевая, ее легко установить, и она не отвалится», — отмечает он.
Источник.
Источник: