透明マントはどのように機能しますか?

それを認めてください。透明マントを所有したいと思うでしょう。パーティーで恥ずかしい失言をしてしまいませんか？魔法の服を着て、パーティー参加者の卑劣な視線から消えてください。上司があなたについて実際に何と言っているかを聞きたいですか?すぐにその人のオフィスに行き、商品を手に入れましょう。

このような素晴らしいファッションアクセサリーは、 SFやファンタジーの世界ではとんでもなく標準になっています。ハリー・ポッターとその親友ロン・ウィーズリーから銀河系サファリハンターに至るまで、誰もがワードローブに目に見えないブラウスを少なくとも 1 枚は持っていますが、現実世界の私たち哀れな樹液はどうでしょうか?

さて、マグルの皆さん、科学はあなたに朗報です。透明マントは現実です。この技術は完璧には程遠く、本物の透明マントのような実際の透明性を実現するものではありませんが、透明マントのオプションをご案内します。

ミラージュ効果

まずはこのカーボンナノチューブ透明マントをサイズ的に着てみて、蜃気楼効果の素晴らしさを体験してみましょう。

ミラージュ効果: カーボンナノチューブ

おそらく皆さんは、砂漠の放浪者が遠くのオアシスを垣間見たものの、それがただの蜃気楼であったことを発見するという物語の中で最もよく知られている蜃気楼だと思います。奇跡のような飲料水の湖ではなく、ただ熱砂があっただけです。

熱い砂は蜃気楼効果（または光熱偏向）の鍵となります。砂と空気の間の激しい温度差が光線を曲げ、つまり屈折させるからです。屈折により、光線は表面で反射するのではなく、観察者の目に向かって上向きに振り上げられます。

砂漠の蜃気楼の典型的な例では、この効果により空の「水たまり」が地面に現れ、論理的な（そして喉が渇いた）脳はそれを水たまりとして解釈します。おそらく、暑い道路の表面でも同様の効果が発生し、道路の遠くの部分が水が溜まって輝いて見えるのを見たことがあるのではないでしょうか。

実験と可能性

2011 年、テキサス大学ダラス ナノテック研究所の研究者たちは、この効果を利用することに成功しました。彼らはカーボン ナノチューブのシート、つまりカーボンのシートを円筒形のチューブに巻き込んだものを使用しました 。各ページの厚さは単一分子とほぼ同じですが、各チューブ内の炭素原子が信じられないほどしっかりと結合しているため、鋼鉄と同じくらい強度があります。これらのシートは優れた熱伝導体でもあるため、蜃気楼を作り出すのに理想的です。

実験では、研究者らはシートを電気的に加熱し、その熱を周囲の領域（水の入ったペトリ皿）に伝えました。これにより、光がカーボン ナノチューブ シートから遠ざかる方向に曲がり、その背後にあるものを事実上見えなくしてしまいました。

言うまでもなく、水に浸したままにしなければならない、超高温の小型の迷彩ジャケットを着たいと思う場所はそれほど多くありませんが、この実験はそのような素材の可能性を示しています。やがて、この研究により、透明マントだけでなく、他の光を曲げる装置も実現されるかもしれません。それらはすべて、便利なオン/オフ スイッチを備えています。

メタマテリアルの概念

次に、メタマテリアルで作られた透明マントに身を包みましょう。

メタマテリアルを使用して光波を曲げる

メタマテリアルは、複数のプロジェクターやカメラを必要とせずに、不可視テクノロジーのより説得力のあるビジョンを提供します。 1967 年にロシアの物理学者ビクター・ヴェセラゴによって初めて概念化されたこれらの小さな人工構造は、光の波長よりも小さく (光の波長をそらすためにはそうである必要がある)、物体が電磁場とどのように相互作用するかに影響を与える負の電磁特性を示します。

屈折率と波の相互作用

天然素材はすべて正の屈折率を持ち、これが光波がどのように相互作用するかを決定します。屈折率は化学組成に部分的に起因しますが、内部構造はさらに重要な役割を果たします。十分に小さなスケールで材料の構造を変更すれば、入ってくる波の屈折方法を変えることができ、正の屈折から負の屈折に強制的に切り替えることもできます。

画像は光波を介して私たちに届くことを忘れないでください。音は音波を介して私たちに届きます。これらの波をオブジェクトの周囲に誘導できれば、そのオブジェクトを視界や音から効果的に隠すことができます。

小さな小川を想像してください。赤い染料が入ったティーバッグを流れる水に突っ込むと、水の色、味、匂いが変わるため、下流ではその存在が明らかになるでしょう。しかし、ティーバッグの周りの水をそらせることができたらどうでしょうか?

メタマテリアルファブリックとエネルギー波

2006 年、デューク大学のデイビッド スミスは、英国の理論物理学者ジョン ペンドリーが提唱した初期の理論を採用し、それを使用してマイクロ波の流れを歪めることができるメタマテリアルを作成しました。スミスのメタマテリアル ファブリックは、電子マイクロ波歪み装置を含む同心円状のリングで構成されていました。作動すると、周波数固有のマイクロ波が材料の中央部分の周囲に向けられます。

明らかに、人間はマイクロ波スペクトルを見ることができませんが、この技術はエネルギー波が物体の周囲に伝わることを実証しました。 3 年生のストローで発射した唾球の方向をそらし、着用者の周りを移動させ、あたかもその軌道が抵抗されずにマントを着ている人をまっすぐ通過したかのように、反対側に進むことができるマントを想像してみてください。さて、岩の転用はどれほど大変なことなのだろうか？弾丸？

スミスのメタマテリアルはその方法を証明しました。不可視性への秘訣は、それをさまざまな波に適応させることにあります。

最小のフロンティア

科学の創造物であるメタマテリアルは自然には発生しません。電磁波の方向を変えるために必要な微細構造を作成するために、科学者はナノテクノロジーを採用しています。

メタマテリアル: 目に見えないタンク

2007 年、メリーランド大学のイーゴリ スモリャニノフは、チームを不可視への道をさらに前進させました。パデュー大学のウラジミール・シャレフによって提案された以前の理論を組み込んで、スモリャニノフは、物体の周囲の可視光を曲げることができるメタマテリアルを構築しました。

幅わずか 10 マイクロメートルのパーデューのマントには、シアンの偏光が注入された同心の金のリングが使用されています。これらのリングは、入ってくる光の波を隠れたオブジェクトから遠ざけるように誘導し、効果的にオブジェクトを見えなくします。武漢大学の中国の物理学者は、この概念を可聴範囲に取り入れ、物体の周囲に音波をそらすことができる音響不可視マントの作成を提案しました。

当分の間、メタマテリアルの透明マントはある程度制限されています。小さいだけではありません。それらは 2 次元に限定されています。3 次元の戦争地帯の風景に消える必要はほとんどありません。

さらに、できあがったマントは、成人した魔法使いでも持ち歩くことができないほどの重さになるでしょう。その結果、この技術は、静止した建物や戦車などの車両を隠すなどの用途に適している可能性があります。

光学迷彩: 改変された現実

昔ながらの光学迷彩ファッションを取り入れてみませんか?

このテクノロジーは、拡張現実(AR) テクノロジーを利用しています。AR テクノロジーは、1960 年代にハーバード大学とユタ大学のアイヴァン サザーランドとその学生によって初めて開発されたテクノロジーの一種です。

光学迷彩はハリー ポッターの透明マントと同様の体験を提供しますが、これを使用するには少し複雑な設定が必要です。まず、目立たなくなりたい人（ハリーと呼びましょう）は、フード付きのレインコートに似た衣服を着ます。この衣服は特別な素材で作られていますが、これについては後ほど詳しく説明します。

次に、観察者（スネイプ教授と呼びましょう）が特定の場所でハリーの前に立ちます。その場所では、フード付きのレインコートを着ているハリーを見る代わりに、スネイプはマント越しに見るので、ハリーが見えないように見えます。

上の写真は、スネイプが見たものを示しています。そして、スネイプが横に寄って、少し違う場所からハリーを眺めたらどうだろうか？何故なら、彼はただ銀の衣を着た少年魔法使いを見るだけだったのだ。おそらくしかめ面と拘束が続くだろう。ハリーにとって幸運なことに、彼の架空のマントは 360 度の保護を提供します。

拡張現実と仮想現実

拡張現実システムは、コンピュータで生成された情報をユーザーの感覚に追加します。たとえば、あなたが街の通りを歩いていると想像してください。途中でサイトを眺めていると、追加情報が表示され、通常の見方が強化され、豊かになります。おそらく、それはレストランのその日のスペシャル、劇場の上映時間、駅のバスの時刻表かもしれません。

理解することが重要なのは、拡張現実は仮想現実と同じではないということです。仮想現実は世界を置き換えることを目的としていますが、拡張現実は追加の役立つコンテンツで世界を補完しようとしているだけです。日常生活におけるヘッドアップ ディスプレイ (HUD) と考えてください。

光学迷彩の構成要素

ほとんどの拡張現実システムでは、合成グラフィックスで強化された現実世界のシーンを見るために、ユーザーは特別な表示装置を通して見る必要があります。また、強力なコンピューターも必要です。光学迷彩にはこれらも必要ですが、他にもいくつかのコンポーネントが必要です。人物を透明に見せるために必要なものは次のとおりです。

光学迷彩: 透明マントのコンポーネント

よし、ビデオカメラ、コンピュータ、プロジェクター、コンバイナー、そして素晴らしい反射レインコートを用意した。拡張現実テクノロジーは、どのようにしてこの奇妙な買い物リストを透明化のレシピに変えるのでしょうか?

再帰反射材

まずはレインコートを詳しく見てみましょう。再帰反射素材で作られています。このハイテク生地は、何千もの小さなビーズで覆われています。光がこれらのビーズの 1 つに当たると、光線は来たときとまったく同じ方向に反射します。

これがなぜユニークなのかを理解するには、他の種類の表面で光がどのように反射するかを見てください。入射（入射）光線がさまざまな方向に散乱するため、粗い表面では乱反射が発生します。鏡のような完全に滑らかな表面は、いわゆる鏡面反射、つまり入射光線と反射光線が鏡の表面に対してまったく同じ角度を形成する反射を作成します。

光の反射と再帰反射

再帰反射では、ガラスビーズがプリズムのように機能し、屈折によって光線を曲げます。これにより、反射光線は入射光線と同じ経路に沿って戻ります。結果: 光源の近くにいる観察者はより多くの反射光を受け取るため、より明るい反射が見えます。

再帰反射素材は実際には非常に一般的です。交通標識、道路標識、自転車の反射板はすべて再帰反射を利用して、夜間に運転する人々に視認しやすくしています。現代の商業劇場のほとんどにある映画スクリーンもこの素材を利用しています。これは、暗い条件下でも高い輝度が得られるためです。

光学迷彩では、遠く離れた場所や明るい日光の下でも再帰反射素材が見えるため、再帰反射素材の使用が重要です。これは不可視の錯覚を実現する 2 つの要件です。

セットアップの残りの部分では、ビデオ カメラを被写体の後ろに配置して背景をキャプチャする必要があります。コンピュータはビデオ カメラからキャプチャされた画像を取得し、適切な遠近法を計算して、キャプチャされた画像を再帰反射材に投影される画像に変換します。

プロジェクターとコンバイナー

次に、プロジェクターは、虹彩絞りと呼ばれるデバイスによって制御される開口部を通して光線を照射することにより、変更された画像を衣服に照射します。

この絞りは不透明な薄い板でできており、リングを回すと中央の開口部の直径が変わります。光学迷彩が適切に機能するには、この開口部がピンホールの大きさでなければなりません。なぜ？これにより被写界深度がより深くなり、スクリーン (この場合はマント) をプロジェクターから任意の距離に配置できるようになります。

最後に、システム全体には、投影された画像をマントに向けて反射し、マントから反射した光線をユーザーの目に戻すための特別なミラーが必要です。この特別なミラーはビーム スプリッター、またはコンバイナーと呼ばれます。光を反射し (銀色の半分)、光を透過します (透明な半分) の両方を備えた半銀のミラーです。

コンピュータ生成画像の統合

コンバイナをユーザーの目の前に適切に配置すると、ユーザーはコンピュータによって強化された画像と周囲の世界からの光の両方を認識できるようになります。

不可視のイリュージョンが現実的に見えるためには、コンピューターで生成された画像と現実世界のシーンが完全に統合されている必要があるため、これは非常に重要です。ユーザーは拡張現実を見るためにこの鏡ののぞき穴を通して見る必要があります。

次に、これらすべてのコンポーネントを組み合わせて、透明マントがどのようにして人を透明にしているように見えるかを見てみましょう。この図は、さまざまなデバイスや機器の一般的な配置を示しています。

人が再帰反射素材で作られたマントを着ると、次のような一連の出来事が起こります。

再帰反射材に背景が映し出されているため、マントを着ている人物は見えなくなります。同時に、他の世界からの光線がユーザーの目に届くようになり、一見普通に見える世界に透明人間が存在しているかのように見えます。

光学迷彩: 現実世界の不可視化アプリケーション

「透明マント」という言葉は、幻想的な冒険、魔法のスパイ活動、異世界の欺瞞などのイメージを呼び起こす傾向があります。しかし、光学迷彩の実際の用途ははるかに少ないです。ロミュランの宇宙船を隠したり、女性魔術師の寮でぶらぶらしたりすることは忘れても構いませんが、それはこのテクノロジーの実行可能な用途が数多くないという意味ではありません。

航空および運転分野での応用

たとえば、飛行機に着陸するパイロットは、この技術を使用してコックピットの床を透明にすることができます。これにより、床（機体の外側からの眺めが表示される）を見下ろすだけで、滑走路と着陸装置を確認できるようになります。

同様に、ドライバーはミラーや死角に対処する必要がなくなります。代わりに、車両の後部全体を「透かして見る」こともできます。この技術は、外科医が光学迷彩を使用して手や器具を通して下層の組織を遮るものなく見ることができるため、医療分野でも応用できる可能性を秘めています。

相互テレイグジスタンス

興味深いことに、このテクノロジーの応用例の 1 つは、実際にオブジェクトをより見やすくすることを中心に展開しています。この概念は相互テレイグジスタンスと呼ばれるもので、本質的には、遠隔ユーザーの外観を再帰反射材料でコーティングされたロボットに投影することが含まれます。

外科医が遠隔操作のロボット手術を介して患者の手術を行っていたとします。相互テレイグジスタンスにより、処置を支援する人間の医師は、機械ではなく別の人間と協力しているという認識を得ることができます。

普及したゲーム

現時点では、相互テレイグジスタンスは SF の話ですが、科学者たちはテクノロジーの限界を押し広げ続けています。たとえば、普及型ゲームはすでに現実になりつつあります。普及型ゲームは、街路であろうと人里離れた荒野 (つまり、Pokémon Go) であろうと、ゲーム体験を現実世界に拡張します。モバイル ディスプレイを備えたプレーヤーは、センサーが位置を含む環境に関する情報を取得しながら、世界を移動します。この情報は、ユーザーがどこにいるか、何をしているかに応じて変化するゲーム体験を提供します。