Una representació artística d’un futur vehicle de combat protegit per un sistema de camuflatge actiu
Actualment, les operacions de reconeixement i infiltració d'infanteria es realitzen amb un camuflatge convencional dissenyat per camuflar un soldat mitjançant dos elements principals: color i patró (patró de camuflatge). No obstant això, les operacions militars en entorns urbans són cada vegada més freqüents, en què el color i el patró òptims poden canviar contínuament, fins i tot cada minut. Per exemple, un soldat amb uniforme verd destacarà clarament contra una paret blanca. Un sistema de camuflatge actiu podria actualitzar constantment el color i el patró, amagant el soldat en el seu entorn actual
La natura fa milions de anys que utilitza "sistemes" de camuflatge adaptatius activament. Podeu veure el camaleó en aquesta foto?
Representació simplificada del principi de funcionament del camuflatge actiu-adaptatiu mitjançant l'exemple de MBT
Aquest article proporciona una visió general dels sistemes de camuflatge actius (adaptatius) actuals i projectats. Tot i que hi ha nombroses aplicacions per a aquests sistemes o estan en desenvolupament, la investigació se centra en sistemes que es podrien utilitzar en operacions d'infanteria. A més, la finalitat d’aquests estudis és proporcionar informació utilitzada per avaluar l’aplicabilitat actual dels sistemes de camuflatge actius i ajudar a dissenyar-ne de futurs.
Definicions i conceptes bàsics
El camuflatge actiu en l'espectre visible difereix del camuflatge convencional de dues maneres. En primer lloc, substitueix l’aspecte d’allò que s’està emmascarant per un aspecte que no només s’assembla a l’entorn (com l’emmascarament tradicional), sinó que representa amb precisió el que hi ha darrere de l’objecte emmascarat.
En segon lloc, el camuflatge actiu també ho fa en temps real. L’ideal seria que el camuflatge actiu no només pogués imitar objectes propers, sinó també objectes llunyans, possiblement fins a l’horitzó, creant un camuflatge visual perfecte. El camuflatge actiu visual es pot utilitzar per desactivar la capacitat de l'ull humà i els sensors òptics de reconèixer la presència d'objectius.
Hi ha molts exemples de sistemes de camuflatge actius a la ficció, i els desenvolupadors solen triar un nom per a una tecnologia basada en alguns termes i noms de la ficció. Generalment es refereixen al camuflatge actiu complet (és a dir, a la invisibilitat completa) i no fan referència a les capacitats del camuflatge actiu parcial, el camuflatge actiu per a operacions especials o cap dels avenços tecnològics actuals del món real. Tanmateix, la invisibilitat completa serà sens dubte útil per a operacions d'infanteria, com ara operacions de reconeixement i infiltració.
El camuflatge s'utilitza no només en l'espectre visual, sinó també en acústica (per exemple, sonar), l'espectre electromagnètic (per exemple, radar), el camp tèrmic (per exemple, radiació infraroja) i per canviar la forma d'un objecte. Les tecnologies de camuflatge, inclosos alguns camuflatges actius, s'han desenvolupat fins a cert punt per a tots aquests tipus, especialment per a vehicles (terrestres, marítims i aeris). Tot i que aquest treball es relaciona principalment amb el camuflatge visual d’un infant d’infanteria desmuntat, és útil esmentar breument solucions en altres àrees, ja que algunes idees tecnològiques es poden traslladar a l’espectre visible.
Camuflatge visual. El camuflatge visual consisteix en forma, superfície, lluentor, silueta, ombra, posició i moviment. Un sistema de camuflatge actiu pot contenir tots aquests aspectes. Aquest article se centra en el camuflatge actiu visual, de manera que aquests sistemes es detallen a les subseccions següents.
Camuflatge acústic (per exemple, sonar). Des dels anys quaranta, molts països han experimentat amb superfícies absorbents de so per reduir les reflexions sonars dels submarins. Les tecnologies de bloqueig de pistoles són un tipus de camuflatge acústic. A més, la cancel·lació activa del soroll és una nova tendència que podria evolucionar cap al camuflatge acústic. Els auriculars actius amb cancel·lació de soroll estan disponibles actualment per al consumidor. S'estan desenvolupant els anomenats sistemes de supressió activa de soroll actius de camp proper, que es col·loquen al camp proper acústic per minimitzar activament, principalment, el soroll tonal de les hèlixs. Es preveu que es podrien desenvolupar sistemes prometedors per a camps acústics de llarg abast per emmascarar les accions de la infanteria.
Camuflatge electromagnètic (com el radar). Les xarxes de camuflatge radar combinen revestiments especials i tecnologia de microfibra per proporcionar una atenuació del radar de banda ampla superior als 12 dB. L'ús de recobriments tèrmics opcionals amplia la protecció infraroig.
El BMS-ULCAS (Pantalla de camuflatge multiespectral ultra lleuger) de Saab Barracuda utilitza un material especial que s’adjunta al material base. El material redueix la detecció del radar de banda ampla i també redueix els rangs de freqüència visibles i infrarojos. Cada pantalla està dissenyada específicament per a l’equip que protegeix.
Uniformes de camuflatge. En el futur, el camuflatge actiu pot determinar l’objecte que s’ha d’empaperar per adaptar-lo a la forma de l’espai. Aquesta tecnologia es coneix com SAD (Shape Approximation Device) i té el potencial de reduir la capacitat de detecció de formes. Un dels exemples més convincents de camuflatge uniforme és el pop, que pot barrejar-se amb el seu entorn no només canviant de color, sinó també canviant la forma i la textura de la seva pell.
Camuflatge tèrmic (per exemple, infrarojos). S'està desenvolupant un material que atenua la signatura de calor de la pell nua difonent l'emissió de calor mitjançant boles de ceràmica buides platejades (senosferes), de diàmetre mitjà de 45 micres, incrustades en un aglutinant per crear un pigment amb baixes propietats d'emissió i difusió. Les microbilles funcionen com un mirall, reflectint l’espai circumdant i entre elles, i així distribueixen la radiació tèrmica de la pell.
Camuflatge multiespectral. Alguns sistemes de camuflatge són multiespectrals, és a dir, funcionen per a més d’un tipus de camuflatge. Per exemple, Saab Barracuda ha desenvolupat un producte de camuflatge multiespectral d’alta mobilitat a bord (HMBS) que protegeix les peces d’artilleria durant la cocció i el redistribució. És possible una reducció de signatures de fins al 90% i la supressió de la radiació tèrmica permet que motors i generadors funcionin al ralentí per a un arrencada ràpida. Alguns sistemes tenen recobriment de doble cara, que permet als soldats portar camuflatge de doble cara per utilitzar-lo en diferents tipus de terreny.
A finals del 2006, BAE Systems va anunciar el que es va descriure com "un salt endavant en la tecnologia de camuflatge", en el seu centre de tecnologia avançada va inventar "una nova forma de sigil actiu … Amb només prémer un botó, els objectes es tornen pràcticament invisibles, es barregen en els seus antecedents ". Segons BAE Systems, el desenvolupament "va donar a la companyia una dècada de lideratge en tecnologia invisible i podria redefinir el món de l'enginyeria" invisible "." Es van implementar nous conceptes basats en nous materials, cosa que permet no només canviar els seus colors, sinó també canviar el perfil d’infrarojos, microones i radars i combinar objectes amb el fons, cosa que els fa quasi invisibles. Aquesta tecnologia s’integra a la pròpia estructura en lloc de basar-se en l’ús de material addicional, com ara pintura o una capa adhesiva. Aquest treball ja ha conduït al registre de 9 patents i encara pot proporcionar solucions úniques als problemes de gestió de signatures.
Sistema de camuflatge actiu basat en la tecnologia RPT amb projecció sobre un impermeable reflectant
La propera frontera: l'òptica de transformació
Els sistemes de camuflatge actiu / adaptatiu descrits en aquest article i basats en la projecció d’escenes són bastant similars a la ciència ficció (i de fet aquesta era la base de la pel·lícula "Predator"), però no formen part de la tecnologia més avançada investigada a la cerca "mortalla d'invisibilitat". De fet, ja s’han esbossat altres solucions, que seran molt més efectives i pràctiques en comparació amb el camuflatge actiu. Es basen en un fenomen conegut com a òptica de transformació. És a dir, algunes longituds d'ona, inclosa la llum visible, es poden "doblegar" i fluir al voltant d'un objecte com l'aigua que envolta una pedra. Com a resultat, els objectes darrere de l'objecte es fan visibles, com si la llum passés per l'espai buit, mentre que l'objecte mateix desapareix de la vista. En teoria, l'òptica de transformació no només pot emmascarar objectes, sinó que també els pot fer visibles allà on no són.
Representació esquemàtica del principi d’invisibilitat mitjançant òptica de transformació
Representació artística de l’estructura d’un metamaterial
No obstant això, perquè això passi, l’objecte o l’àrea s’ha d’emmascarar amb un agent de capa, que no pot ser detectat per les ones electromagnètiques. Aquestes eines, anomenades metamaterials, utilitzen estructures cel·lulars per crear una combinació de característiques materials que no estan disponibles a la natura. Aquestes estructures poden dirigir ones electromagnètiques al voltant d’un objecte i fer que apareguin a l’altre costat.
La idea general darrere d’aquests metamaterials és la refracció negativa. En canvi, tots els materials naturals tenen un índex de refracció positiu, un indicador de la quantitat d’ones electromagnètiques que es doblegen quan passen d’un medi a un altre. Una il·lustració clàssica del funcionament de la refracció: una part d’un pal submergit a l’aigua sembla doblegada sota la superfície de l’aigua. Si l’aigua tingués una refracció negativa, la part submergida del pal, al contrari, sobresortiria de la superfície de l’aigua. O, per exemple, un peix que neda sota l'aigua sembla que es mou en l'aire per sobre de la superfície de l'aigua.
Un nou metamaterial d’emmascarament revelat per la Universitat de Duke el gener de 2009
Una imatge de microscopi electrònic d’un metamaterial 3D acabat. Els ressonadors de nanorings dividits en or es disposen en files uniformes
Vista esquemàtica i microscopi electrònic d’un metamaterial (superior i lateral) desenvolupat per investigadors de la Universitat de Califòrnia, Berkeley. El material es forma a partir de nanocables paral·lels incrustats a l'interior d'alúmina porosa. Quan la llum visible travessa un material segons el fenomen de la refracció negativa, es desvia en direcció contrària.
Perquè un metamaterial tingui un índex de refracció negatiu, la seva matriu estructural ha de ser inferior a la longitud de l’ona electromagnètica utilitzada. A més, els valors de la constant dielèctrica (la capacitat de transmetre un camp elèctric) i la permeabilitat magnètica (com reacciona a un camp magnètic) han de ser negatius. Les matemàtiques són fonamentals per dissenyar els paràmetres necessaris per crear metamaterials i demostrar que el material garanteix la invisibilitat. No és sorprenent que s’hagi obtingut més èxit quan es treballa amb longituds d’ona en un rang més ampli de microones, que oscil·la entre 1 mm i 30 cm. i llum magenta) fins a 700 nanòmetres (llum vermella fosca).
Després de la primera demostració de la viabilitat del metamaterial el 2006, quan es va construir el primer prototip, un equip d’enginyers de la Universitat de Duke va anunciar el gener de 2009 un nou tipus de dispositiu de dissimulació, molt més avançat en el dissimulació a través d’un ampli espectre de freqüències. Els darrers avenços en aquesta àrea es deuen al desenvolupament d’un nou grup d’algoritmes complexos per a la creació i producció de metamaterials. En experiments de laboratori recents, un feix de microones dirigit a través d'un mitjà d'emmascarament cap a un "protuberància" sobre una superfície plana del mirall es va reflectir des de la superfície en el mateix angle que si no hi hagués un protuberància. A més, l'agent d'encobriment va evitar la formació de feixos dispersos, que normalment acompanyaven aquestes transformacions. El fenomen subjacent al camuflatge s’assembla a un miratge vist en un dia calorós davant de la carretera.
En un programa paral·lel i realment competitiu, els científics de la Universitat de Califòrnia van anunciar a mitjans del 2008 que havien estat pioners en materials tridimensionals que podrien canviar la direcció normal de la llum en els espectres d'infrarojos visibles i propers. Els investigadors van seguir dos enfocaments diferents. En el primer experiment, van apilar diverses capes alternatives de plata i fluorur de magnesi no conductor i van tallar els anomenats patrons nanomètrics de "malla" en capes per crear un metamaterial òptic massiu. La refracció negativa es va mesurar a longituds d'ona de 1500 nanòmetres. El segon metamaterial consistia en nanocables de plata estirats a l'interior d'alúmina porosa; tenia una refracció negativa a longituds d'ona de 660 nanòmetres a la regió vermella de l'espectre.
Tots dos materials van aconseguir una refracció negativa, amb la quantitat d'energia absorbida o "perduda" a mesura que la llum passava per ells.
Esquerra és una representació esquemàtica del primer metamaterial "malla" tridimensional desenvolupat a la Universitat de Califòrnia que pot aconseguir un índex de refracció negatiu en l'espectre visible. A la dreta hi ha la imatge de l’estructura acabada a partir d’un microscopi electrònic de rastreig. Les capes intermitents formen petits contorns que poden desviar la llum cap enrere
També el gener de 2012, investigadors de la Universitat de Stuttgart van anunciar que havien avançat en la fabricació d’un metamaterial d’anells dividits multicapa per a longituds d’ona òptiques. Aquest procediment capa per capa, que es pot repetir tantes vegades com es desitgi, és capaç de crear estructures tridimensionals ben alineades a partir de metamaterials. La clau d’aquest èxit va ser un mètode de planarització (anivellament) per a una superfície nanolitogràfica rugosa combinada amb fiducials duradors que suporten processos de gravat en sec durant la nanofabricació. El resultat va ser un alineament perfecte juntament amb capes absolutament planes. Aquest mètode també és adequat per a la producció de formes de forma lliure en cada capa. Així, és possible crear estructures més complexes.
Certament, pot ser necessària molta més investigació abans que es puguin crear metamaterials que puguin funcionar en l’espectre visible, en què l’ull humà pugui veure, i després materials pràctics adequats, per exemple, per a la roba. Però fins i tot els materials d'encobriment que funcionen a poques longituds d'ona fonamentals podrien oferir enormes beneficis. Poden fer que els sistemes de visió nocturna siguin ineficaços i que els objectes siguin invisibles, per exemple, als feixos làser que s’utilitzen per guiar les armes.
Concepte de treball
S'han proposat sistemes optoelectrònics lleugers basats en dispositius i pantalles d'imatge moderns que fan que els objectes seleccionats siguin gairebé transparents i, per tant, pràcticament invisibles. Aquests sistemes s’anomenen sistemes de camuflatge actius o adaptatius pel fet que, a diferència del camuflatge tradicional, generen imatges que poden canviar en resposta als canvis d’escenes i condicions d’il·luminació.
La funció principal del sistema de camuflatge adaptatiu és projectar l’escena (fons) darrere de l’objecte sobre la superfície de l’objecte més proper a l’espectador. Dit d’una altra manera, l’escena (fons) darrere del tema es transporta i es mostra en panells davant del tema.
Un sistema de camuflatge actiu típic és probablement una xarxa de pantalles planes flexibles disposades en forma de manta que cobreixi totes les superfícies visibles de l’objecte que cal camuflar. Cada tauler de visualització contindrà un sensor de píxels actiu (APS) o, possiblement, un altre aparell d'imatge avançat, que es dirigirà cap endavant cap al tauler i ocuparà una petita porció de l'àrea del tauler. La "coberta" també contindrà un marc de filferro que admet una xarxa de fibres òptiques entrecreuades a través de la qual es transmetrà la imatge de cada APS a un tauler de visualització addicional al costat oposat de l'objecte emmascarat.
La posició i l'orientació de tots els dispositius d'imatge es sincronitzaran amb la posició i l'orientació d'un sensor, que serà determinada per la imatge principal (sensor). L'orientació es determinarà mitjançant una eina d'anivellament controlada pel sensor d'imatge principal. Un controlador central connectat a un mesurador de llum extern ajustarà automàticament els nivells de brillantor de tots els panells de la pantalla per adaptar-se a les condicions de llum ambiental. La part inferior de l'objecte emmascarat s'il·luminarà artificialment de manera que la imatge de l'objecte emmascarat des de dalt mostri el terra com si estigués il·luminat naturalment; si això no s’aconsegueix, l’observació de dalt a baix tindrà una evident heterogeneïtat i discreció de les ombres.
Els panells de visualització es poden dimensionar i configurar de manera que es puguin utilitzar en total per emmascarar diversos objectes sense haver de modificar-los ells mateixos. Es va estimar la mida i la massa dels sistemes i subsistemes típics de camuflatge adaptatiu: el volum d’un sensor d’imatge típic serà inferior a 15 cm3, mentre que un sistema que tapa un objecte de 10 m de llarg, 3 m d’alçada i 5 m d’amplada tindrà massa inferior a 45 kg. Si l’objecte que s’ha d’emmagar és un vehicle, el sistema elèctric del vehicle pot activar fàcilment el sistema de camuflatge adaptatiu sense cap impacte negatiu en el seu funcionament.
Una solució interessant per al camuflatge adaptatiu de l’equip militar Adaptive de BAE Systems
