Richard Baraniuk membuka kunci rahasia para seniman kamuflase terbaik alam - cephalopoda.
Richard Baraniuk percaya bahwa kerajaan hewan memiliki banyak hal untuk diajarkan, tidak hanya untuk para ilmuwan yang ingin memahami, tetapi juga untuk para insinyur yang ingin menciptakan. Baraniuk, seorang profesor teknik listrik dan komputer di Rice University, membantu mengembangkan bahan-bahan baru untuk tujuan pertahanan - terinspirasi oleh kulit makhluk laut, seperti cumi-cumi, yang dapat menyamarkan diri di bawah air. Wawancara ini adalah bagian dari seri EarthSky, Biomimicry: Nature of Innovation, diproduksi dalam kemitraan dengan Fast Company dan disponsori oleh Dow.
Richard Baraniuk
Ceritakan tentang proyek yang disebut "kulit cumi"
Pertama, kami ingin memahami bagaimana cumi-cumi dan cumi-cumi lainnya melakukan pekerjaan luar biasa seperti menyamarkan diri mereka dengan latar belakang lingkungan laut. Mereka dapat berbaur sempurna dengan latar belakang dan hampir menghilang. Kami mencoba memahami ilmu dasar tentang bagaimana mereka mampu dan apa mekanismenya.
Kami ingin memahaminya baik dari sisi penginderaan - bagaimana mereka melihat lingkungan cahaya di sekitar mereka - dan dari sebuah aktuasi sisi hal. Dengan kata lain, bagaimana mereka mengontrol organ di dalam kulit mereka untuk memantulkan dan menyerap cahaya dari semua panjang gelombang yang berbeda. Dan kemudian kami ingin memahaminya dari perspektif saraf, bagaimana mereka memiliki sistem kontrol yang memungkinkan indra untuk menggerakkan aktuasi ini sehingga mereka dapat berbaur dengan latar belakang.
Gurita yang disamarkan. Kredit Gambar: SteveD.
Dari pemahaman sains dasar ini, kami kemudian mencoba merekayasa kulit cumi sintetis yang akan menggantikan mata dengan kamera dan jenis sensor cahaya lainnya, mengganti kulit dengan bahan metamaterial - modern yang memiliki cahaya yang sangat kuat yang memantulkan cahaya dan kemampuan menyerap berdasarkan pada nanoteknologi yang juga dapat memantulkan dan menyerap cahaya pada semua jenis panjang gelombang - dan akhirnya, membuat algoritma komputer canggih yang dapat menyesuaikan kulit sehingga kulit dapat, seperti halnya cumi-cumi, kamuflase sendiri dan berbaur sempurna ke latar belakang.
Buat koneksi untuk kita dari apa yang para ilmuwan coba pelajari dan terapkan dari makhluk laut yang kamuflase.
Sebenarnya ada tiga tujuan ilmiah dasar. Di sisi penginderaan, kami ingin memahami bagaimana cumi-cumi dan cumi-cumi lainnya dapat merasakan medan cahaya yang sangat kompleks yang mengelilinginya di lingkungan laut. Setiap kali Anda menyelam di bawah laut dan melihat-lihat, Anda tahu - ini sangat rumit. Ada pantulan dari permukaan, pantulan dari bagian bawah, dan cahaya yang datang dari segala arah. Untuk menyamarkan dirinya sendiri, seekor cumi-cumi harus dapat merasakan semua medan cahayanya.
Kami baru saja mulai menggaruk permukaan pemahaman sistem penginderaan. Kita tahu bahwa cumi-cumi dan cumi-cumi lainnya memiliki ketajaman mata yang sangat tinggi, dan mereka dapat melihat banyak tentang lingkungan mereka dengan cara yang dianalogikan dengan cara manusia melihat. Tetapi mereka memiliki lebih banyak lagi. Mereka dapat merasakan polarisasi cahaya, yang sangat berguna untuk memahami cahaya yang dipantulkan dari berbagai objek, cahaya yang naik dari jauh ke bawah di laut. Mereka mampu melihat lebih baik dalam hal itu daripada manusia.
Cumi karang sirip besar. Kredit Gambar: Nick Hobgood
Elemen lain yang sangat menarik dari sisi ilmiah dan teknik adalah kolaborator kami, Roger Hanlon dari Woods Hole Oceanographic Institution, telah menemukan bahwa kelas besar cephalopoda sebenarnya memiliki sensor cahaya yang didistribusikan di seluruh kulit mereka. Jadi Anda dapat benar-benar memikirkan seluruh tubuh cumi-cumi seperti kamera raksasa yang dapat merasakan cahaya dari semua jenis arah yang berbeda, di atas cumi-cumi, di bawah cumi-cumi, dan di semua sisi. Dan jadi kami percaya dari sisi penginderaan, itu benar-benar kombinasi mata dan sensor cahaya terdistribusi yang menyediakan kemampuan untuk berbaur dengan latar belakang.
Pertanyaan penelitian dasar kedua adalah tentang mekanisme aktuasi. Bagaimana cumi-cumi dan cumi-cumi lainnya dapat mengubah warna, mengubah reflektifitas, dan luminositasnya? Ini adalah bagian dari proyek yang paling dipahami. Para ilmuwan selama beberapa dekade terakhir telah dapat menemukan bahwa cephalopoda memiliki organ di dalam kulit mereka yang disebut kromatofor, iridofor, dan leucophores. Ketiga organ ini mampu menyerap cahaya dan memantulkan cahaya pada frekuensi yang berbeda, sehingga berubah warna. Kromatofor dapat menyerap cahaya pada banyak frekuensi yang berbeda, misalnya, sehingga dapat berubah warna. Iridophores mampu memantulkan cahaya pada frekuensi yang berbeda. Dan leucophores mampu meredakan cahaya. Dan dengan persenjataan dari ketiga elemen yang berbeda ini, mereka dapat membuat susunan pola yang luar biasa berbeda dengan latar belakang lingkungan laut mereka.
Pertanyaan sains dasar ketiga yang sangat menarik adalah seputar aspek sistem saraf. Bagaimana cumi-cumi atau cumi-cumi lainnya mengintegrasikan semua informasi ini dari sensor cahaya terdistribusi ini, dari mata mereka, memproses informasi itu, dan kemudian mengontrol aktuator - kromatofor, iridofor, dan leucophores - sehingga mereka berbaur, tidak hanya dengan warna. latar belakang itu tetapi dengan variasi cahaya yang sangat halus yang Anda dapatkan di bawah air?
Cumi-cumi penasaran di Indonesia. Kredit Gambar: Nhobgood
Kami memahami bahwa material ini dapat digunakan untuk menyamarkan kapal yang digunakan dalam kapal selam seperti pertahanan. Beritahu kami tentang itu.
Setelah Anda memahami prinsip-prinsip dasar dan arsitektur yang digunakan cumi-cumi untuk menyamarkan dirinya sendiri, kita dapat membayangkan merekayasa kulit sintetis yang menggantikan, misalnya, sensor cahaya di kulit dan mata cumi-cumi dengan kamera, dengan sistem pendeteksi cahaya yang didistribusikan. Kita dapat mengganti kulit dengan beberapa jenis metamaterial, teknologi yang dapat memantulkan dan membiaskan dan menyebarkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Dan kita dapat mengganti sistem saraf pusat dengan komputer yang mampu menganalisis berbagai latar belakang dan mengendalikan aktuator ini.
Jika kita dapat melakukan ini, kita dapat membayangkan membangun kendaraan bawah air, misalnya, yang ditutupi dengan kulit metamaterial yang beroperasi dengan cara yang sama seperti yang dilakukan cumi-cumi untuk menyamarkan dirinya. Mereka bisa menjadi hampir tidak terlihat di bawah laut.
Anda bisa mengambil ini lebih jauh, mengeluarkannya dari air. Kita harus dapat menutupi kendaraan dalam jenis yang sama dari kulit cumi metamaterial, dan dapat membuat kendaraan hilang, sehingga orang tidak akan dapat melihat mobil atau truk duduk di lapangan, misalnya. Bergerak lebih jauh dari itu, di luar frekuensi cahaya biasa, ke hal-hal seperti frekuensi radio atau frekuensi akustik, Anda bisa membayangkan membangun kendaraan di darat atau bahkan pesawat terbang yang hampir tidak terlihat oleh radar. Jadi Anda bisa membayangkan seluruh jajaran kendaraan stealth tipe baru yang tidak terlihat oleh pengintip.
Kami memahami bahwa pekerjaan ini juga dapat membantu dalam kapasitas pencitraan kapal bawah air. Beritahu kami tentang itu.
Cephalopoda tidak hanya memiliki sistem penginderaan terpusat untuk cahaya - mata yang bisa Anda bayangkan ganti dengan kamera digital - tetapi juga memiliki sensor cahaya yang didistribusikan ke seluruh tubuh mereka. Jadi dalam arti tertentu seluruh tubuh mereka seperti kamera raksasa sensor cahaya terdistribusi. Kami baru mulai memahami bahwa kami dapat menggunakan konsep penginderaan cahaya terdistribusi ini untuk memungkinkan cara baru yang radikal untuk gambar, untuk dapat melihat di bawah air, tidak hanya pada panjang gelombang yang terlihat, seperti cahaya, tetapi juga berpotensi menggunakan panjang gelombang akustik untuk dapat gunakan sistem probing seperti sonar. Bayangkan kendaraan yang tidak hanya dapat berbaur dengan latar belakang mereka, tetapi juga lebih mampu memahami latar belakang mereka, target lain di latar belakang, ikan berenang di sekitar, kapal selam lainnya, hal-hal seperti itu.
Apa saja cara lain proyek ini akan berdampak pada dunia di luar lab?
Ada peluang luar biasa untuk penerapan beberapa solusi rekayasa baru ini. Yang pertama, di sisi metamaterial, sisi "kulit" yang sebenarnya - metamaterial sangat menjanjikan untuk membangun teknologi tampilan jenis baru. Bayangkan tampilan fleksibel berbiaya sangat rendah yang dapat digunakan untuk komputer, untuk jenis tampilan tipe membaca lainnya. Bayangkan panel yang sangat besar - seluruh dinding rumah Anda yang merupakan layar TV raksasa.
Di sisi penginderaan cahaya, ada ide bahwa cumi menggunakan penginderaan cahaya didistribusikan untuk memahami lingkungan mereka. Kita dapat menerapkan ide-ide semacam itu pada akhirnya untuk membangun sistem kamera terdistribusi besar. Bayangkan wallpaper yang Anda pasang di rumah Anda yang menutupi seluruh dinding yang dapat melakukan rekonstruksi 3D dari segala sesuatu di dalam ruangan dan segala sesuatu yang bergerak di sekitar ruangan, yang akan sangat berguna di masa depan untuk sistem jenis realitas virtual, untuk keamanan aplikasi, untuk jenis aplikasi pengawasan.
Di sisi sistem saraf, semakin baik kita memahami bagaimana cephalopoda dan cumi benar-benar berintegrasi, memadukan informasi dari sensor dan menggunakannya untuk mengontrol aktuator, ini memungkinkan kita untuk merancang jenis ure yang baru secara radikal dan melihat teknik sintesis, yang dapat memungkinkan jenis baru komputer grafis dan teknologi yang dihasilkan komputer dan permainan, dan juga ure analisis - teknik, misalnya, untuk mengenali orang dalam adegan atau kendaraan dalam adegan. Semua ide-ide ini keluar dari pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana rasa cephalopoda dan kemudian menyatu dengan latar belakang.
Bisakah kita kembali ke "kulit cumi-cumi" sendiri sebentar? Bagaimana cara membandingkannya dengan kulit cumi asli? Hancurkan bagaimana ini bekerja untuk kita.
Kulit cumi-cumi hasil rekayasa yang kami ciptakan terinspirasi langsung dari pemahaman sains dasar kami tentang bagaimana cephalopoda merasakan cahaya, mengintegrasikannya, dan memadukan dirinya ke latar belakang.
Di kulit kami yang direkayasa, kami memiliki kamera digital untuk menggantikan mata. Kami memiliki dioda peka cahaya yang tertanam di kulit yang dapat merasakan cahaya yang datang dari segala arah di sekitar kulit. Lalu kita memiliki kulit itu sendiri, yang dapat berubah warna. Dan di sana, kami mengambil organ aktuasi ringan dari sefalopoda, kromatofor, iridofor, leucophores, dan kami merekayasa apa yang disebut metamaterial untuk meniru sifat mereka. Metamaterial adalah material modern yang memiliki kemampuan memantulkan dan menyerap cahaya yang sangat kuat. Ini dibuat, misalnya, bola kaca berukuran nano, dan menutupinya dengan lembaran emas tipis yang sangat halus atau materi lain sehingga kita dapat secara selektif menyerap atau memantulkan cahaya dari frekuensi yang berbeda.
Unsur ketiga kulit meniru sistem saraf pusat cephalopod. Dan di sini, kami menggunakan algoritma komputer canggih untuk mengambil informasi yang datang dari sensor cahaya dan kamera terdistribusi, untuk memahami latar belakang objek yang kami coba gabungkan, dan kemudian menghasilkan sinyal kontrol listrik yang kemudian digunakan untuk mengontrol metamaterial sehingga mereka menyerap dan memantulkan cahaya pada frekuensi yang tepat sehingga kulit menyatu dengan latar belakangnya.
Apa pendapat Anda tentang biomimikri - mempelajari bagaimana alam melakukan sesuatu dan menerapkan pengetahuan itu pada masalah manusia?
Saya percaya kerajaan hewan memiliki banyak hal untuk diajarkan, tidak hanya ilmuwan yang ingin memahami, tetapi juga insinyur yang ingin menciptakan.
Hal yang mengherankan saya tentang bidang biomimikri secara umum adalah bahwa semakin kita memahami tentang bagaimana hewan bekerja dan memproses informasi, misalnya, semakin kita belajar bahwa mereka sebenarnya memiliki, dari waktu ke waktu - berkat evolusi - diadopsi secara optimal atau mendekati optimal solusi, cara terbaik untuk menyelesaikan masalah.
Sebuah contoh yang bagus dari beberapa pekerjaan sebelumnya yang telah saya lakukan dalam karir saya adalah kelelawar, yang terbang di sekitar ngengat berburu gelap. Dan mereka benar-benar menggunakan sonar. Mereka menggunakan ekolokasi. Hal yang mengejutkan adalah bahwa kelelawar benar-benar menggunakan bentuk gelombang yang optimal secara matematis sehingga berteriak untuk menemukan lokasi ngengat dan seberapa cepat mereka terbang sehingga mereka dapat menangkap hasil maksimal dalam semalam.
Saya pikir dalam rekayasa, kami baru saja mulai membuat sistem yang mendekati kompleksitas sistem biologis. Jika Anda melihat, misalnya, sistem paling rumit di dunia, hal-hal seperti pesawat ulang-alik dengan jutaan bagian, begitu kita pindah ke dunia hewan, kita berbicara tentang sistem dengan miliaran, triliunan bagian. Untuk mencapai kemajuan dalam hal ini, saya pikir kita harus mengadopsi beberapa strategi yang dapat kita pelajari dari biologi.