Metamateriaalien toimintoja tehostaen

Perinteiset optiset järjestelmät perustuvat kookkaisiin lasilinsseihin, joilla on rajoituksia, kuten kromaattiset poikkeamat, alhainen hyötysuhde useilla aallonpituuksilla ja suuret fyysiset koot.

Nämä haitat asettavat haasteita suunniteltaessa pienempiä, kevyempiä järjestelmiä, jotka silti tuottaisivat korkealaatuisia kuvia.

Viimeaikaiset edistysaskeleet metapintaisissa linsseissä (metalinsseissä) ovat osoittaneet suuret mahdollisuudet avata uusi aikakausi kompaktissa kuvantamisessa, valokuvauksessa, valontunnistuksessa ja etäisyysmittauksessa (LiDAR) sekä VR- ja AR-sovelluksissa.

Kuitenkin perustavanlaatuinen kompromissi laajakaistan fokusointitehokkuuden ja toimintakaistan leveyden välillä rajoittaa laajakaistaisten metalinssien suorituskykyä.

Koeralaisen Pohangin tiede- ja teknologiayliopistossa (POSTECH) tutkijat ovat kehitelleet, syväoppimiseen perustuvan, päästä päähän metalinssien kuvantamisjärjestelmän. Järjestelmän syväoppimismalli on koulutettu tunnistamaan ja korjaamaan metalinssien aiheuttamat värivääristymät ja epäselvyydet. Kuvanpalautuskehys käyttää kontradiktorista oppimista, jossa kahta hermoverkkoa koulutetaan yhdessä. Toinen verkko tuottaa korjattuja kuvia ja toinen arvioi niiden laatua, mikä pakottaa järjestelmän kehittymään jatkuvasti.

Näin voidaan toteuttaa päästä päähän metalinssinen kuvantamisen, jolloin saadaan aikaan laadukasta täysvärikuvausta massatuotetuilla metalinsseillä, joiden halkaisija on 10 mm.

Saavutuksen syvälliset vaikutukset laajentavat kaupallisesti kannattavaa polkua erittäin kompaktien, tehokkaiden ja poikkeamattomien kuvantamisjärjestelmien kehittämiseen.

Karlsruhen teknologiainstituutin (KIT) tutkijat ovat puolestaan kehittäneet metamateriaaleja, joilla on erilaiset venymis- ja puristusominaisuudet kuin perinteisillä materiaaleilla.

Kehitetyn mekaanisen metamateriaalin komponenttien väliset vuorovaikutukset voidaan herättää myös suuremmilla etäisyyksillä materiaalin sisällä. Perinteisesti komponentti voi yleensä olla vuorovaikutuksessa vain välittömien naapuriensa kanssa.

Tohtori Yi Chen vertaa tätä ihmisten väliseen kommunikaatioon ja "puhelinpelistä" tunnettuun vaikutukseen: Näillä rakenteilla yksittäiset komponentit eivät enää "kommunikoi" vain naapureidensa kautta kauempana olevien komponenttien kanssa, vaan nyt ne voivat kommunikoida myös suoraan materiaalin kaikkien muiden komponenttien kanssa", Chen selventää.

Metamateriaali on erittäin herkkä kuormituksille, mikä voi olla hyödyllinen ominaisuus. Riippuen siitä, missä kohdassa voima materiaaliin kohdistuu, jopa suhteellisen kaukana olevissa kohdissa voi syntyä täysin erilaisia venytysreaktioita.

Tämän herkkyyden omaava materiaali voi olla arvokas teknisissä sovelluksissa, joissa on mitattava suuria voimia, kuten rakennusten muodonmuutoksia seurattaessa tai biologisessa tutkimuksessa solujen voimien karakterisoimiseksi.

Materiaalin mahdollisia käyttökohteita ovat voimien mittaus ja rakennevalvonta.

Aiheesta aiemmin:

Ennätysmäisiä metalinssejä

Metamateriaalia analogiseen optiseen laskentaan

Älymateriaali haastaa Newtonin liikelain