Студентки ТулГУ пробуют создать плащ-невидимку

Третьекурсницы кафедры «Приборы управления» Института высокоточных систем им. В.П. Грязева Тульского государственного университета Александра Волкова и Елена Савина под научным руководством доктора технических наук, заведующего этой кафедрой Валерия Владимировича Матвеева разработали адаптивный камуфляж, предназначенный для маскировки людей и техники в видимом диапазоне в условиях изменяющегося фона окружающей среды.

Свой проект девушки продемонстрировали на прошедшей в ноябре этого года в Тульском Доме науки и техники Региональной научно-практической выставке «Изобретатель и рационализатор». Разработка студенток ТулГУ вызвала интерес.

— На самом деле создание камуфляжа, известного также под названием «плащ-невидимка», не даёт покоя учёным давно, можно сказать, с тех пор, как оптика выделилась в отдельную область знаний. Так что здесь мы не первопроходцы, — поделились Александра и Елена. — Основная проблема заключается в том, что на сегодняшний день такая разработка требует определённой финансовой составляющей. Однако попытки приблизиться к эффекту невидимки предпринимались и предпринимаются многими исследователями. Что же касается нас самих, то мы, как студентки, хотели создать изделие, которое не только эффектно выглядит, но и может иметь практическую значимость. К тому же разработка непосредственно перекликается с образовательной программой по нашей специальности «Оптотехника».

Как рассказали авторы, сначала они попытались выявить аналогичный принцип маскировки в живой природе, то есть такой, когда эффект скрытости создаётся путём медленного изменения общего цвета животного, а не проявлением фонового узора. Подобной маскировки, как выяснилось, в живой природе не существует, но нечто похожее по принципу всё же нашлось. Причём, что интересно, наиболее подходящим прототипом оказался не хамелеон, на которого указывают все разработчики маскировочных систем, а некоторые виды рыб.

На применение термохромного пигмента, который по сравнению со светодиодным экраном медленнее меняет цвет, студенток натолкнуло видео в интернете — маскировка павлиноглазки или цветочной камбалы (Bothus mancus). Сам процесс маскировки этой рыбы может занимать несколько минут.

Затем Александра и Елена проанализировали материалы, которые могли бы использоваться при создании плаща-невидимки.

— И поначалу нас ждала неудача. Мы обнаружили столько фейковых видео с хромакеем! Всё это, конечно, было зрелищно, но настоящего эффекта как такового не наблюдалось, — рассказали студентки. — И вот тогда нам пришла в голову идея использовать именно термохромный краситель с нитевыми нагревателями для изменения цвета ткани. Обычно вся поверхность ткани становится одним сплошным экраном, а у нас же ткань остаётся тканью.

Принцип работы адаптивного камуфляжа таков. На переднюю часть маскировочного халата нанесена термохромная краска, которая при температуре ниже 32 градусов имеет зелёный цвет, а при температуре 32 градусов и выше обратимо обесцвечивается. Температура изменяемой по цвету области регулируется двумя независимыми нагревателями на основе токопроводящих нитей (нихромовой проволоки), расположенными с левой и правой стороны. Решение о том, какого цвета должен быть участок ткани, принимает микроконтроллер ESP32 на основе кадра с камеры, направленной на фон. Кадр соответственно делится на две части — левую и правую. С обоих участков вычисляется средний цвет с каждого канала: R — красный, G — зелёный, B — голубой. Если средний цвет похож на зелёный или хотя бы темнее его, то нагреватель соответствующего участка ткани выключается, ткань охлаждается за счёт теплообмена с окружающей средой и становится зелёной. В обратном случае нагреватель включается и ткань становится белой.

Таким образом, поясняли разработчики, принцип маскировки заключается не в копировании узорного фона, а в слиянии её с цветовой тональностью и нарушении целостности визуального восприятия человеческого силуэта.

— Цветочная камбала для воспроизведения маскировочного узора использует один глаз на своей нижней поверхности. И нам стало понятно, что медленное изменение цвета на основе кадра всего с одной камеры, то есть одного глаза, является вполне нормальным явлением, — рассказали Александра и Елена.

—Поэтому лучше использовать только одну камеру, чем обвешивать всю площадь ткани экранами и камерами или создавать материал с отрицательным коэффициентом преломления света. При этом у нашей камеры особые алгоритмы деления кадра на зоны в соответствии с конфигурацией нагревательных элементов.

Программное обеспечение для разработки этих алгоритмов студентки создали сами.

— Прошли те времена, когда вся электрическая схема придумывалась и рассчитывалась с нуля, — подчеркнули Александра и Елена. — Сейчас почти всё строится на микроконтроллере, который программируется под конкретную задачу. Так что программное обеспечение является неотъемлемой частью макета, обеспечивающей его работоспособность.

Девушки признались, что конструкция макета с нагревателями на нихромовой проволоке, обмотанной вокруг пластин текстолита, пока довольно-таки тяжёлая. В комплект входят маскировочный халат, аккумулятор и управляющая плата. Если рассчитывать для 46 размера одежды, то около 0,9 кг придётся на саму ткань, около 2,7 кг — на пластины текстолита, которые являются основами для нагревателей, и около 0,7 кг — на сами нагреватели. Плюс остальная электроника. Итого 3,5 кг, а это требует распределения нагрузки.

— Если делать гибкий нагреватель на основе более тонких нихромовых или серебряных нитей, то получится значительно легче, но при этом возрастёт сложность изготовления, — сказали Александра и Елена. — Понятное дело, что наша первая разработка — это проба пера. Успешная, как мы считаем. Но останавливаться на достигнутом нельзя, надо двигаться дальше и совершенствовать свой проект. Так что впереди нас ждёт поиск новых решений.

Область применения адаптивного камуфляжа, по словам студенток, довольно широка. Его могут носить военнослужащие, егеря, лесничие, лесные инспекторы, фотографы дикой природы, а также страйкболисты, пейнтболисты и хардболисты. Адаптивный камуфляж позволяет маскироваться на поле боя и использовать тактические преимущества местности.

Татьяна Крикункова