Как электронная книга похожа на каракатицу

За миллионы лет биологические организмы — от хамелеона и каракатицы до осьминога и кальмара — развили способность менять цвет для адаптивной маскировки (например, камуфляж) и коммуникационных сигналов (например, предупреждение или брачные позывы).

За последние два десятилетия люди начали разрабатывать сложную технологию электронной бумаги (e-Paper) в устройствах, которые отражают и используют окружающий свет для создания множества цветов, контраста и диффузии для передачи текста и изображений.

И учитывая более чем 100-миллионолетнюю фору, которую эволюция предоставила этим животным и их клеточным системам, неудивительно, что устройства на электронной бумаге отстают по оптическим характеристикам, особенно в генерации цвета.

В попытке сократить этот разрыв междисциплинарная команда под руководством исследователей из Университета Цинциннати представляет статью, призванную помочь биологам, работающим с этими меняющими цвет существами, и инженерам, работающим с технологией e-Paper. Статья "Биологическая vs. электронная адаптивная окраска: как одна может информировать другую?" опубликована в "The Journal of The Royal Society Interface" и будет размещена на обложке предстоящего печатного выпуска.

По словам Эрика Крайта из UC, их основные цели были троякими: позволить инженерам по дисплеям учиться у миллионов лет естественного отбора и эволюции; научить биологов самым передовым механизмам и измерениям производительности, используемым в созданной человеком отражающей e-Paper; и дать всем учёным более чёткую картину долгосрочных перспектив таких возможностей, как адаптивная маскировка, и того, чему можно научиться у механизмов "сейчас ты меня видишь, а сейчас — нет".

СХОДСТВА МЕЖДУ ЖИВОТНЫМИ И ЭЛЕКТРОНИКОЙ

Одно из ключевых открытий исследователей — существует множество подходов к изменению отражающего цвета поверхности, и самые высокопроизводительные подходы, разработанные как человеком, так и природой, имеют мощные общие черты. И те, и другие используют пигмент и изменяют или достигают цветового выражения, либо распределяя, либо уплотняя этот пигмент. Животные используют мышечные волокна, а электроника — электрическое поле.

Однако, даже если базовый подход к смене цвета схож, человечество никогда не создавало ничего столь же сложного и изощрённого, как биология и физика кожи головоногих. (Головоногие — разнообразная группа океанических животных, включающая 700 видов каракатиц, кальмаров и осьминогов, — признанные мастера смены цвета на планете).

По словам Хайкенфельда, "высокопроизводительные подходы, созданные человеком, были разработаны лишь недавно, после многочисленных попыток других подходов. Возможно, если бы в прошлом мы больше доверяли способности природы находить лучшее решение, сегодня мы были бы дальше в создании лучших технологий дисплеев".

ЖИВОТНЫЕ — ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ ДОСТУПНОГО СВЕТА

Биологические организмы, меняющие цвет, очень эффективно используют доступный свет. Кожа животного либо отражает свет для достижения эффекта яркого цвета, либо поглощает его для достижения потрясающих многоцветных эффектов.

В использовании доступного света биологические организмы эффективнее электронных устройств, которым обычно требуется большое количество электроэнергии для генерации внутреннего/излучаемого света для создания яркого цвета.

Как сказал Роджер Хэнлон, "Кожа головоногих исключительно красива и сияет, может меняться за миллисекунды, и всё это без генерации какого-либо внутреннего света из самой кожи; существуют элегантные решения от биологии, ожидающие перевода в наш потребительский и промышленный мир".

Фактически, в целом, животные "опережают" синтетические устройства по сложности и интеграции систем; энергопотреблению для смены цвета; масштабируемости размера (адаптивная окраска головоногих работает в широком диапазоне размеров в их классе — от мелких каракатиц до крупных осьминогов и кальмаров); и текстуре поверхности (головоногие могут избирательно адаптировать или "сминать" свою кожу, чтобы соответствовать различным трёхмерным текстурам, что обеспечивает дополнительное рассеяние света и создание теней).

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДОСТИГАЮТ ЦВЕТОВ БЫСТРЕЕ И В БОЛЬШЕМ ДИАПАЗОНЕ

Технологии, разработанные человеком, значительно превосходят головоногих или других животных, меняющих цвет, по скорости. Другими словами, созданная человеком электроника может достичь цвета и смены цвета быстрее, чем время отклика биологического организма.

Кроме того, синтетические устройства могут обеспечить больший диапазон цветов и более эффективное тёмное или чёрное состояние. То есть устройство может достичь чёрного экрана, тогда как большинство биологических организмов не могут достичь такого затемнённого окраса. Отчасти это связано с тем, что у организма, например морского животного, как правило, нет причин для выживания или сигнализации переходить в тёмное или чёрное состояние. Такая адаптация фактически сделала бы их более заметными, а не менее, для хищников.