Видеоочки вместо телеэкрана
В преддверии нынешнего чемпионата Европы по футболу Германию охватила почти такая же лихорадка, как и в канун чемпионата мира двумя годами раньше. Эта лихорадка весьма многолика в своих проявлениях, однако одним из наиболее ярких её признаков можно считать резкий скачок спроса на плоские широкоформатные телевизоры с большой диагональю экрана. Но что делать тем фанатам, которых служебные или личные дела заставляют в самый неподходящий момент отправляться в дорогу? Конечно, сегодняшняя техника телекоммуникации достигла такого уровня развития, что позволяет принимать телевизионный сигнал и на мобильный телефон, но разрешающая способность его дисплея всё же недостаточна для восприятия трансляции матча во всех её деталях. Вот на такие ситуации и рассчитаны видео-очки под названием «Cinemizer», разработанные знаменитой компанией «Carl Zeiss». Впрочем, не только на такие: воспользоваться изделием умельцев из города Оберкохена могут также владельцы игровых приставок, «ай-подов», портативных DVD-проигрывателей, ноутбуков и тому подобных устройств. В любом поезде или самолёте вы сегодня наверняка встретите немало людей, пытающихся насладиться кино-зрелищем в портативном варианте. Однако экраны ноутбуков и мобильных DVD-плейеров бликуют, а дисплеи «ай-подов» столь малы, что о наслаждении говорить не приходится. Инженер Михаэль Полльман (Michael Pollmann), один из разработчиков новых видео-очков, описывает их функцию так:
Они создают иллюзию, будто вы смотрите на киноэкран с расстояния в два метра, а этот киноэкран имеет диагональ в 1,15 метра, то есть 45 дюймов. Таким образом, перед вашим взором возникает виртуальное изображение довольно внушительных размеров.
Что и говорить, идея, конечно, заманчивая: создать очки, которые позволили бы на практике реализовать сугубо индивидуальный портативный домашний кинотеатр с огромным виртуальным экраном и мощной акустикой. Но фирма «Carl Zeiss» – отнюдь не первая, взявшаяся за осуществление этой идеи. Ещё в 90-х годах многие разработчики пытались создать виртуальную реальность с помощью громоздких шлемов. Успеха они не снискали. Затем на рубеже столетий компании «Olympus» и «Sony» представили общественности свои видео-очки. Завоевать рынок они не смогли, хотя эксперты оценили эти изделия весьма высоко. Но их привели в восхищение, видимо, лишь сами по себе новые технологические подходы, ведь в то время в интерьерах гостиных ещё доминировали огромные громоздкие телевизионные приёмники на базе электронно-лучевых трубок – кинескопов. Но сегодня ситуация иная: даже DVD, совсем недавно столь стремительно завоевавшие рынок, считаются устаревшим форматом, поскольку по качеству картинки заметно уступают новым оптическим дискам высокого разрешения в форматах типа «Blu-ray». Так чем же в этих условиях могут похвастаться разработчики «цейссовских» видео-очков? Они уверяют, что их изделие позволяет добиться почти полной иллюзии присутствия в кинозале, не хватает только голов впереди сидящих зрителей да пакета кукурузных хлопьев. Инженер-оптик Андреас Клавейн (Andreas Klavehn) – коллега Полльмана – объясняет устройство очков так:
Вы смотрите не непосредственно на два дисплея, а каждым глазом как бы за угол. Дисплеи расположены по бокам, а у вас прямо перед глазами зеркальная оптика, которая и направляет взгляд за угол, на соответствующий дисплей. Зеркала размещены под углом в 45 градусов к направлению вашего взгляда, то есть получается, что вы смотрите вбок под прямым углом. Но зеркала – это, конечно, далеко не всё, там вокруг ещё полно всякой другой оптики.
«Другая оптика вокруг» – это линзы перед каждым из дисплеев и призмы, направляющие изображение за угол. Призмы были разработаны специально для «Синемайзера», – говорит Михаэль Полльман:
В них есть входное окно, выходное окно и ещё одна, третья, оптическая поверхность. Эта оптическая поверхность в нашем случае представляет собой плоскость и выполняет функцию зеркала. Впрочем, входное и выходное окна тоже оптически активны, они изогнуты и больше напоминают линзы, а не плоские грани обычной призмы, какой её принято себе представлять.
Сложная оптика призвана не только имитировать большое расстояние до виртуального экрана, но ещё и придавать изначально плоской, двухмерной картинке объёмность. С этой целью изображение делится вертикально пополам, – говорит Андреас Клавейн:
Что мы, по сути, делаем, так это распределяем картинку с дисплея «ай-пода»: левую половину направляем к левому глазу пользователя, а правую половину – к правому. Мозг соединяет эти две половинки в одно объёмное изображение.
Впрочем, для достижения этого эффекта половинки картинки предварительно подвергаются специальной обработке. Обработку выполняет микропроцессор, интегрированный в оправу видео-очков. В дужки очков вмонтированы широкополосные наушники, призванные обеспечить мощное, объёмное и натуральное звучание – то, что ассоциируется у нас с кино-звуком. Во всяком случае, реклама «синемайзера» на перечислении его достоинств не скупится. Упоминается, в частности, что он позволяет регулировать оптическую силу стёкол от -3,5 до +3,5 диоптрий, так что большинство пользователей, обычно вынужденных носить очки, смогут в данном случае обойтись без них. Однако я, честно говоря, и сам не готов пока приобрести эти видео-очки, и другим не стану их рекомендовать. Например, потому, что они стоят 369 евро – довольно дорогое удовольствие. Но главное – то, что это удовольствие ещё и весьма сомнительное, потому что контрастность и цветность изображения оставляют желать лучшего. Правда, пользователь может изменить настройки, но только в очень узких пределах: в его распоряжении всего три положения регулятора, и добиться с их помощью кардинального улучшения параметров нереально. А потому изображение временами кажется даже чёрно-белым, и многие детали на тёмном фоне полностью теряются. Оптическая разрешающая способность мини-дисплеев составляет всего 640 на 480 точек – по сегодняшним меркам это очень мало. Кроме того, из этого следует, что длина дисплея относится к его ширине как 4 к 3. А это означает, что широкоформатные телепередачи и фильмы предстают через такие видео-очки урезанными с боков. И наконец, пользователю изрядно мешают посторонние световые блики, попадающие в очки как снаружи, так и от самих мини-дисплеев. Если же иметь в виду, что обещанные производителем четыре часа непрерывной работы аккумулятора – не более чем миф, а его подзарядка занимает минимум 2,5 часа, то становится ясно: полноценный виртуальный кинотеатр карманного размера компания «Carl Zeiss» пока предложить не может. Правда, работа в этом направлении продолжается, но перспективы неясны. Потому что некоторые – возможно, чересчур чувствительные, – пользователи жалуются на то, что спустя минут десять такого кино у них возникает чувство тошноты и сильно устают глаза.
А теперь – другая тема. Недавно в Бремене завершила работу промышленная выставка, посвящённая адаптронике. Речь идёт о системах на базе материалов, меняющих свои свойства под воздействием электрического или магнитного поля, тепла или света, сжатия или растяжения. Собственно говоря, сами по себе такие «умные материалы» – по-английски «smart materials» – известны инженерам уже давно и используются сегодня весьма широко. Они знакомы практически каждому из нас – достаточно назвать солнцезащитные очки-хамелеоны с фототропными стёклами, темнеющими на ярком солнце и снова светлеющими в тени. Однако профессор Хольгер Ханзелька (Holger Hanselka), преподающий в Техническом университете Дармштадта, связывает с этими материалами будущее машиностроения. Ханзелька, возглавляющий также Институт эксплуатационной прочности и надёжности комплексных систем имени Фраунхофера, полагает, что «умные материалы» необходимы для реализации нового подхода к конструированию машин и механизмов, состоящего в придании им способности рационально и эффективно реагировать на изменение внешних условий. Это и есть принцип адаптроники:
То, что мы считаем как бы своим девизом, гласит: адаптроника пробуждает структуры к жизни. А это означает, что любой элемент конструкции должен постоянно регистрировать все изменения окружающей среды и действовать соответственно. Проектируя пассивную систему, инженер закладывает в неё все мыслимые и немыслимые ситуации, в которых она может оказаться в процессе последующей эксплуатации. А может и не оказаться. Но такая система заведомо слишком массивна, поскольку должна обладать огромным запасом прочности.
Наиболее широко адаптронные системы используется в автомобилестроении – они гасят вибрацию двигателя и тем самым снижают уровень шума в салоне. Тот же принцип сотрудники возглавляемого Ханзелькой института намерены применить к судовым двигателям. Производимый ими чудовищный рёв – уже хотя бы из-за огромной разницы в мощности – не идёт ни в какое сравнение с шумом автомобильного мотора, даже если это гоночный болид «Формулы 1».
Коллега Ханзельки – Хайко Атцродт (Heiko Atzrodt) – говорит:
Обычно в подшипниках судовых дизельных двигателей в качестве амортизаторов используются пассивные элементы. Ну, скажем, резиновые прокладки, поглощающие производимую двигателем вибрацию. Мы же видим свою задачу в том, чтобы попытаться сконструировать систему на основе активных элементов. То есть использовать те самые smart materials, умные материалы, например, пьезокерамику, которая активно противодействовала бы вибрации.
Название «пьезо» происходит из греческого языка и означает «давлю». Если надавить на пьезокристалл, то есть приложить к нему механическое усилие, он поляризуется, образуя на противолежащих гранях электрические заряды противоположного знака. Это явление, именуемое прямым пьезоэлектрическим эффектом, было впервые исследовано ещё Пьером Кюри в 1880-м году. В наши дни этот эффект находит применение в конструкции многих бытовых устройств – таких, например, как струйные принтеры или газовые зажигалки. Инженеры используют и так называемый обратный пьезоэлектрический эффект: воздействуя на пьезоматериал электрическим полем, они вызывают его механическую деформацию.
Ясно, что материалы, реагирующие на деформацию изменением оптических, электрических или магнитных свойств, могут быть использованы в качестве сенсоров, а материалы, изменяющие форму или объём под воздействием магнитного или электрического полей, тепла или света, способны играть роль активных исполнительных элементов. В системе амортизации вибрации судовых двигателей одна и та же пьезокерамика выполняет обе функции – и сенсора, и исполнительного элемента – говорит Хайко Атцродт:
Когда возникает колебание, сенсоры измеряют его параметры, и эти данные поступают в микропроцессор, а тот выбирает оптимальный режим работы активных исполнительных элементов, противодействующих колебанию, и посылает им соответствующий сигнал.
Первые испытания новой системы шумоподавления были проведены на одном из спасательных судов в Балтийском море и дали многообещающие результаты. Однако выразить снижение уровня шума в численной форме инженеры пока не могут и работают над совершенствованием системы. Учёные также продолжают поиск новых функциональных материалов – пьезокерамики и пьезополимеров, жидкостей с переменной вязкостью и сплавов с эффектом памяти. Большинство этих сплавов реагируют на изменение температуры – они широко используются, например, в медицине, поскольку принимают заданную форму после введения в организм пациента. Однако есть и такие сплавы, что изменяют свою форму под воздействием внешнего магнитного поля, – говорит Себастиан Фелер (Sebastian Fähler), сотрудник Института физики твёрдого тела и материаловедения имени Лейбница в Дрездене:
Главная идея состоит в том, чтобы перейти к материалам, способным реализовать значительный уровень деформации. Скажем, пьезокерамика изменяет свои линейные размеры в среднем на 0,1 процента, а у магнитных сплавов с эффектом памяти этот показатель может достигать 10-ти процентов.
Впрочем, в адаптронике такие магнитные сплавы, в отличие от пьезоматериалов, относятся пока к области фундаментальных исследований. До их практического применения, не говоря уже о промышленном производстве, дело дойдёт только лет через пять.
А теперь я хочу представить вам новейший глубоководный исследовательский аппарат, разработанный конструкторами Института морских исследований в Киле. Как ни странно, глубины океана изучены гораздо хуже, чем поверхность Луны. Исправить ситуацию и призван аппарат под названием «ROV Kiel 6000» – он не только будет исследовать морскую флору и фауну, но и искать полезные ископаемые. Руководитель проекта Колин Деви (Colin Devey) говорит:
Это подводное транспортное средство с электроприводом. Оно соединено кабелем с надводным судном, с которого оно и управляется. Масса аппарата – 3,5 тонны, максимальная глубина погружения – 6 тысяч метров. Конечно, он может быть оборудован видеокамерами, но главное – это два манипулятора, способные брать пробы грунта, проводить эксперименты и так далее.
«Может быть оборудован видеокамерами» – это слабо сказано. Аппарат рассчитан ни много ни мало на 20 камер, в том числе и на камеры высокого разрешения. Правда, на такую глубину солнечный свет не проникает, но это не беда, – говорит Деви:
У нас там масса прожекторов, чтобы высветить морское дно, в том числе и лампы, используемые в Голливуде. И мы можем варьировать освещение, чтобы лучше выявить натуральные цвета.
Первые пробные съёмки впечатляют: например, весьма эффектно выглядят так называемые «чёрные курильщики» – глубоководные гидротермальные источники, над жерлами которых поднимаются облака тонкодисперсных солей и окислов металлов, что делает их похожими на дымящие мини-вулканы. «ROV Kiel 6000» может опуститься на морское дно рядом с таким кратером и взять пробу грунта, – говорит Деви:
Для этого выдвигаются гидравлические манипуляторы. Один – более грубый – обладает 5-ю степенями свободы. Другой – с 7-ю степенями свободы – ни в чём не уступает человеческой руке. То есть мы сможем работать на дне так же, как если бы мы могли дотянуться туда рукой.
Аппарат может загрузить на борт 125 килограммов груза – вполне достаточно, чтобы поднять на поверхность любые пробы грунта, любые образцы подводной флоры и фауны. А для управления аппаратом на базовом судна есть специальная кабина, оборудованная мониторами, сенсорным экраном и джойстиком.