Richard Baraniuk frigør hemmelighederne for naturens bedste camouflagekunstnere - blæksprutterne.
Richard Baraniuk mener, at dyreriget har meget at lære, ikke kun for forskere, der ønsker at forstå, men også for ingeniører, der ønsker at skabe. Baraniuk, professor i elektro- og computerteknik ved Rice University, hjælper med at udvikle nye materialer til forsvarsformål - inspireret af huden fra havdyr, såsom blæksprutter, der kan kamouflere sig selv under vand. Dette interview er en del af en speciel EarthSky-serie, Biomimicry: Nature of Innovation, produceret i partnerskab med Fast Company og sponsoreret af Dow.
Richard Baraniuk
Fortæl os om projektet kaldet ”blækspruttehud”
Først vil vi forstå, hvordan blæksprutte og andre blæksprutter udfører et så bemærkelsesværdigt stykke arbejde med at kamuflere sig selv på baggrund af et havmiljø. De er i stand til at smelte perfekt sammen med baggrunden og næsten forsvinde. Vi forsøger at forstå den grundlæggende videnskab om, hvordan de er i stand til det, og hvilke mekanismer der er.
Vi ønsker at forstå det både fra tingets sansende side - hvordan de opfatter lysmiljøet omkring dem - og fra et aktivering side af ting. Med andre ord, hvordan de faktisk kontrollerer organer i deres hud for at reflektere og absorbere lys med alle forskellige bølgelængder. Og så vil vi forstå det fra et neuralt perspektiv, hvordan de har et kontrolsystem, der gør det muligt for sensoren at drive denne aktivering, så de kan smelte sammen i baggrunden.
Camoufleret blæksprutte. Billedkredit: SteveD.
Fra denne grundlæggende videnskabsforståelse forsøger vi så at konstruere en syntetisk blækspruttehud, der vil erstatte øjnene med kameraer og andre slags lyssensorer, erstatte huden med et metamateriale - moderne materialer, der har meget kraftigt lysreflekterende og absorberende evner baseret på nanoteknologi, der også kan reflektere og absorbere lys ved alle slags bølgelængder - og til sidst oprette sofistikerede computeralgoritmer, der kan indstille huden, så huden kan være i stand til, ligesom blæksprutte, camouflere sig selv og smelter perfekt i baggrunden.
Lav forbindelsen til os, hvad forskere forsøger at lære og anvende fra havdyr, der kamuflerer.
Der er virkelig tre grundlæggende videnskabelige mål. På den senserende side ønsker vi at forstå, hvordan blæksprutte og andre blæksprutter kan sanse dette ekstremt komplekse lysfelt, der omgiver dem i et havmiljø. Når som helst du dykker under havet og kigger rundt, ser du - det er ekstremt kompliceret. Der er refleksioner fra overfladen, reflektioner fra bunden, og lys kommer fra alle retninger. For at kamuflere sig selv, skal en blæksprutte være i stand til at sanse hele sit lysfelt.
Vi er lige begyndt at ridse overfladen på forståelse af sensorsystemerne. Vi ved, at blæksprutte og andre blæksprutter har øjne med meget høj skarphed, og de er i stand til at se meget om deres miljø på en måde, der er analog med hvordan mennesker ser. Men de har endnu mere. De kan mærke polarisering af lys, som er yderst nyttigt til at forstå lys, der er reflekteret fra forskellige genstande, lys, der er oppe fra længere nede i havet. De er i stand til at se bedre i den henseende end mennesker.
Bigfin reef blæksprutte. Billedkredit: Nick Hobgood
Det andet element, der er ekstremt spændende fra både en videnskabelig og teknisk synsvinkel, er, at vores samarbejdspartner, Roger Hanlon fra Woods Hole Oceanographic Institution, har opdaget, at en stor klasse blæksprutter faktisk har lyssensorer fordelt over deres hud. Så du kan faktisk tænke på, at hele kroppen af en blæksprutte er som et gigantisk kamera, der kan føle lys fra alle slags forskellige retninger, over blæksprutte, under blæksprutte og på alle sider. Og så tror vi fra tingets sansende side, det er virkelig kombinationen af øjne og disse distribuerede lyssensorer, der giver mulighed for at blandes i baggrunden.
Det andet grundlæggende forskningsspørgsmål handler om aktiveringsmekanismen. Hvordan kan blæksprutte og andre blæksprutter faktisk ændre deres farve, ændre deres refleksionsevne, deres lysstyrke? Dette er den del af projektet, der er den mest forståede. Forskere i løbet af de sidste par årtier har kunnet konstatere, at blæksprutter har organer i deres hud kaldet kromatoforer, iridoforer og leukoforer. Disse tre organer er i stand til at absorbere lys og reflektere lys ved forskellige frekvenser, så skift farve. Kromatoforerne er i stand til at absorbere lys ved en masse forskellige frekvenser, for eksempel, så de kan ændre farve. Iridoforerne er i stand til at reflektere lys ved forskellige frekvenser. Og leukophorerne er i stand til at diffundere lys. Og så med dette arsenal af disse tre forskellige elementer, kan de lave en utrolig forskellig række mønstre, der matcher baggrunden for deres havmiljø.
Det tredje virkelig interessante grundlæggende videnskabelige spørgsmål er omkring nervesystemets aspekt. Hvordan integrerer blæksprutteren eller anden blæksprut al denne information fra disse distribuerede lyssensorer fra deres øjne, behandler denne information og kontrollerer derefter aktuatorerne - kromatoforerne, iridoforerne og leukoforerne - så de blandes ind, ikke kun med farven af den baggrund, men med de meget subtile lysvariationer, som du får under vand?
Nysgerrig blæksprutte i Indonesien. Billedkredit: Nhobgood
Vi forstår, at disse materialer kunne bruges til at kamuflere fartøjer, der bruges i forsvarslignende ubåde. Fortæl os om det.
Når du først har forstået de grundlæggende principper og arkitektur, som en blæksprutte bruger til at kamuflere sig selv, kan vi forestille os at konstruere en syntetisk hud, der for eksempel erstatter lyssensorerne i huden og blæksprutens øjne med kameraer med distribuerede lyssensionssystemer. Vi kan erstatte huden med en slags metamaterialer, teknologi, der kan reflektere og bryde og diffuse lys med forskellige bølgelængder. Og vi kan erstatte det centrale nervesystem med en computer, der er i stand til at analysere baggrundsure og kontrollere disse aktuatorer.
Hvis vi kan gøre dette, kan vi forestille os at bygge undervandsbiler, for eksempel, der er dækket af denne metamaterialeskind, der fungerer på samme måde som en blæksprutter for at camouflere sig selv. De kan blive næsten usynlige under havet.
Du kan tage dette videre, tage det ud af vandet. Vi skulle være i stand til at dække køretøjer i en lignende type metamaterialer blækspruttehud og være i stand til at få køretøjer til at forsvinde, så folk ikke kunne se en bil eller en lastbil, der f.eks. Sidder i et felt. Når du bevæger dig ud over det, ud over sædvanlige lysfrekvenser, til ting som radiofrekvenser eller akustiske frekvenser, kan du forestille dig at bygge køretøjer på jorden eller endda fly, der er praktisk talt usynlige for radar. Så du kunne forestille dig en helt ny vifte af køretøjer af stealth-type, der er usynlige for nysgerrige øjne.
Vi forstår, at dette arbejde også kan hjælpe med til billedbehandlingskapacitet af undervandsfartøjer. Fortæl os om det.
Blæksprutter har ikke kun et centraliseret sensorsystem for lys - et øje, som du kunne forestille dig at erstatte med et digitalt kamera - men har også lyssensorer fordelt over hele kroppen. Så på nogle måder er deres krop som et kæmpe kamera med distribuerede lyssensorer. Vi er lige begyndt at forstå, at vi kan bruge dette distribuerede lysfølsomhedskoncept til at muliggøre radikalt nye måder til billede, for at være i stand til at se under vand, ikke kun ved synlige bølgelængder, som lys, men også potentielt ved hjælp af akustiske bølgelængder for at kunne bruge ekkolodlignende sonderingssystemer. Forestil dig køretøjer, der ikke kun er i stand til at smelte sammen i deres baggrund, men også bedre kan forstå deres baggrund, andre mål i baggrunden, fisk, der svømmer rundt, andre ubåde, lignende ting.
Hvilke andre måder har dette projekt til at påvirke verden uden for laboratoriet?
Der er en enorm mulighed for anvendelse af nogle af disse nye konstruerede løsninger. Den første, på metamaterialets side, den egentlige "hud" -side - metamaterialer er ekstremt lovende for at opbygge nye former for displayteknologier. Forestil dig fleksible skærme med meget lave omkostninger, der kan bruges til computere til andre former for læsningstypeskærme. Forestil dig meget store paneler - en hel væg i dit hus, der er en gigantisk tv-skærm.
På den lysfølsomme side af tingene er der denne idé om, at blæksprutter bruger distribueret lys-sensing til at forstå deres miljø. Vi kan anvende den slags ideer til sidst til at bygge massivt distribuerede kamerasystemer. Forestil dig tapet, som du lægger op i dit hus, der dækker en hel væg, der er i stand til at udføre 3D-rekonstruktion af alt inde i rummet og alt, der bevæger sig rundt i rummet, hvilket ville være enormt nyttigt i fremtiden til virtual reality-slags systemer, for sikkerhed applikationer til overvågningstype applikationer.
På nervesystemets side, jo bedre vi forstår, hvordan blæksprutter og blæksprutter faktisk integrerer, smelter informationerne fra sensorerne og bruger dem til at kontrollere aktuatorerne, dette gør det muligt for os at designe radikalt nye slags ure og se synteseteknikker, som kunne aktiver nye former for computergrafik og computergenererede film og spilteknologier og også ure analyse - teknikker, for eksempel til at genkende folk i scener eller køretøjer i scener. Alle disse ideer kommer ud fra en bedre forståelse af, hvordan blæksprutter føles og blander sig derefter i baggrunden.
Kan vi vende tilbage til selve “blækspruttehuden” i et øjeblik? Hvordan sammenlignes det med ægte blækspruttehud? Bryde hvordan dette fungerer for os.
Den konstruerede blækspruttehud, som vi skaber, er direkte inspireret af vores grundlæggende videnskabelige forståelse af, hvordan en blæksprutte sanser lys, integrerer det og blander sig selv i baggrunden.
I vores konstruerede hud har vi digitale kameraer, der erstatter øjnene. Vi har lysfølsomme dioder indlejret i huden, der er i stand til at føle lys, der kommer fra alle retninger rundt om huden. Så har vi selve huden, der kan ændre farver. Og der tager vi let aktiveringsorganer fra blæksprutte, kromatoforer, iridoforer, leukoforer, og vi konstruerer, hvad der kaldes metamaterialer for at efterligne deres egenskaber. Metamaterialer er moderne materialer, der har et meget stærkt lysreflekterende og absorberende evne. Disse er for eksempel lavet i nanostørrelse glaskugler og dækker dem med meget fine, tynde lag guld eller anden slags stof, så vi selektivt kan absorbere eller reflektere lys på forskellige frekvenser.
Det tredje element i huden efterligner cephalopodens centrale nervesystem. Og her bruger vi sofistikerede computeralgoritmer til at tage informationen der kommer ind fra de distribuerede lyssensorer og kameraerne, for at forstå baggrunden for de objekter, som vi prøver at blande os i, og derefter generere elektriske styringssignaler, der bruges derefter til at kontrollere metamaterialerne, så de absorberer og reflekterer lys ved lige de rigtige frekvenser, så huden smelter sammen med dens baggrund.
Hvad er dine tanker om biomimik - læring af, hvordan naturen gør tingene og anvende denne viden til menneskelige problemer?
Jeg tror, at dyreriget har meget at lære, ikke kun forskere, der ønsker at forstå, men også ingeniører, der søger at skabe.
Det, der forbløffer mig over biomimikfeltet generelt, er, at jo mere vi forstår om, hvordan dyr fungerer og forarbejder information, jo mere lærer vi, at de faktisk har over tid - takket være evolutions - vedtaget optimalt eller næsten optimalt løsninger, den bedst mulige måde at løse et problem på.
Et godt eksempel fra noget tidligere arbejde, som jeg har udført i min karriere, er flagermus, der flyver rundt i de mørke jagtmøller. Og de bruger faktisk ekkolod. De bruger echolocation. Det, der er forbløffende, er, at flagermus faktisk bruger en matematisk optimal bølgeform, som den råber ud for at finde både placeringen af møl, og hvor hurtigt de flyver, så de kan fange mest på en nat.
Jeg tror, at vi inden for engineering lige er begyndt at skabe systemer, der nærmer sig kompleksiteten af biologiske systemer. Hvis du for eksempel ser på verdens mest komplicerede systemer, f.eks. Rumfærgen med millioner af dele, når vi først flytter ind i dyreriget, så taler vi om systemer med milliarder, billioner af dele. For at komme i gang her, tror jeg, at vi bliver nødt til at vedtage nogle af de strategier, vi kan lære af biologi.