Invisibilità e mimetismo: dalla natura al militare fino ... ad Harry Potter

L’invisibilità, o meglio “fondersi” con l’ambiente, fornisce un chiaro vantaggio selettivo in natura, sia che l’animale sia preda o predatore.

Un discorso simile vale in ambito militare dove la volontà di sfuggire ad ogni rilevazione nemica era perseguita anche nell’era pre-tecnologica; nell’era tech le possibilità di sviluppo sono aumentate enormemente. Certamente nella quasi totalità dei casi si rimane su una invisibilità intesa come occultamento/mimetizzazione ma ci sono anche molti esempi di invisibilità “tecnica” (gli aerei Stealth lo sono ai radar grazie all'assorbimento del segnale di rilevazione) fino ad arrivare a situazione fantascientifiche che sembrano emulare il mantello di Harry Potter (vedi la sezione a fondo pagina) 

Rimanendo in ambito mimetismo, uno studio interessante è quello pubblicato tempo fa sul Royal Society Interface dai ricercatori del Camo Lab di Bristol centrato su come trovare il colore ottimale per minimizzare o massimizzare la rilevabilità di un bersaglio.

Stabilire quali colori offrono la migliore resa di occultamento (o visibilità usando un approccio complementare) necessita di definire fattori quali la dimensione, distanza di osservazione,  altezza dal suolo, illuminazione, eterogeneità ambientale, …, nonché le caratteristiche del sistema visivo dell'osservatore.

Utilizzando sistemi basati su reti neurali profonde residue e machine learning più tecniche di elaborazione delle immagini i ricercatori hanno potuto predire quale fosse il colore ottimale che avrebbe minimizzato/massimizzato la visibilità del target.

Nota. La necessità di pesare i dati sul sistema visivo dell’osservatore è facilmente comprensibile usando come esempio il mantello della tigre. Mentre la sua livrea a noi appare facile da identificare in un ambiente sufficientemente aperto, questo colore “arancione” appare invece “verde” alle prede naturali della tigre (ad es. i cervi) a causa della loro visione dicromatica. Di fatto la tigre che si muove contro vento è del tutto integrata all’ambiente… e il cervo se ne accorge quando è troppo tardi

Image credit: bristol.ac.uk

*** Il "vero" mantello dell'invisibilità***

 Il mantello dell'invisibilità esiste solo nel regno della magia di Harry Potter. O no?

Se pensate che il mantello dell'invisibilità sia solo una invenzione di JK Rowling, la brava e geniale creatrice della saga di Harry Potter, vi sbagliate. Ci sono molti ricercatori impegnati a creare qualcosa di simile. 

Il mantello nella versione Harry Potter (picasion.com)

Diventare invisibili non è magia ma semmai (nella realtà) è più simile al trucco di un prestigiatore, dove invece della velocità delle mani, è la fisica dei materiali che permette di mascherare l'oggetto alla luce incidente.
Rendere gli oggetti invisibili vuol dire reindirizzare le onde elettromagnetiche in modo che "scivolino" attorno all'oggetto, senza che siano assorbite o riflesse.

Tra i gruppi di ricerca impegnati, quelli della Michigan Technological University hanno forse avuto le idee più interessanti.
Il problema principale, di non facile soluzione, è trovare il materiale giusto con cui ricoprire (o magari rivestire) l'oggetto che si vuole occultare. L'idea iniziale fu di utilizzare metamateriali metallici, progettati per possedere proprietà assenti nei metalli naturali, ma l'esito non fu del tutto soddisfacente.

Tre sono le forche caudine che un materiale "adatto" deve superare:

• il primo è il controllo dell'anisotropia cioè il comportamento variabile delle onde che si propagano in diverse direzioni lungo il mantello.
• In secondo luogo, è fondamentale che il materiale del mantello risponda ugualmente bene sia a onde elettromagnetiche con frequenze d'onda nel visibile che alle microonde; in caso contrario l'invisibilità sarebbe facile da smascherare.
• Infine, i ricercatori devono riuscire a ridurre la dispersione della luce quando colpisce il materiale del mantello, un problema che oggi limita di molto la dimensione dell'oggetto da occultare.

Il materiale ideale del mantello deve "piegare" il percorso delle onde tutto intorno ad esso, solo così l'oggetto sembrerà invisibile. Vero che sono state sviluppate equazioni per predire la dispersione della luce sulla superficie del materiale in base alla struttura, ma è altrettanto vero che la ricerca del materiale adatto non è semplice.

Onde non perturbate uguale oggetto non visto
(credit: Creative Commons)

Nel corso della sperimentazione si è passati dai metamateriali a base metallica a quelli non metallici costituiti da risonatori dielettrici, scelti perché i materiali dielettrici hanno conduttività trascurabile e bassa perdita. La prima scelta ricadde su risonatori a base vetroceramica o calcogenuro, particolarmente efficaci con microonde e infrarossi, rispettivamente, per poi passare a materiali multistrato fatti da dielettrici ordinari. Dielettrici dotati di effetto lente furono infine sviluppati perché più efficaci nel coprire superfici ampie.

La ragione della scelta di risonatori è indurre le onde elettromagnetiche a rimbalzare avanti e indietro, nello stesso modo in cui un diapason funge da risonatore sonoro. Un trucco che consente di controllare la propagazione delle onde sulla superficie.

L'ultimo ritrovato di cui sono a conoscenza (pubblicato 2 anni fa sul Journal of Optics) sono i cristalli fotonici cioè cristalli composti da mini bastoncelli con proprietà dielettriche. Il vero vantaggio rispetto ai metamateriali, è che la risonanza in questi cristalli non è limitata a specifiche lunghezze d'onda, adatti quindi agli scopi di mascheramento.

I cristalli fotonici sono strutture ottiche periodiche capaci di controllare il flusso della luce impedendo ogni propagazione attraverso essi. Grazie a riflessioni multiple su strati di superfici separate tra loro da spazi minimi (parliamo di distanze intorno alla lunghezza d'onda incidente) si riesce in effetti ad impedire al raggio ottico di propagarsi attraverso il cristallo. Per quanto il nome possa fare pensare a materiali da fantascienza, queste strutture sono presenti in natura, ad esempio sulle ali di alcune farfalle. Per approfondimenti  vi rimando al sito --> Photonics.

Un'altro dei vantaggi teorici dei cristalli fotonici è che permettono alle onde propaganti di raggiungere velocità apparenti supra-luminali (vedi dettagli su --> Scienceworld Wolfram) il che permette di preservare il fronte d'onda incidente quando le onde si curvano oltre l'oggetto ammantato.
Tradotto significa che la velocità delle diverse fasi dell'onda sono diverse nelle varie facce di cristallo, creando onde contrastanti che generano l'illusione dell'invisibilità.

Al di là delle complicazioni tecniche, è ben chiaro che sistemi di occultamento simili rivestono un ruolo chiave sia per la sicurezza nazionale che a scopo industriale.

E le applicazioni vanno ben oltre l'invisibilità alle onde elettromagnetiche. Si possono immaginare (e alcuni sono in fase di sperimentazione) materiali capaci di curvare le onde sismiche attorno ad edifici storici (rendendoli quindi "invisibili" alla forza agente) e altri in grado di minimizzare l'impatto della corrente dei fiumi sui pilastri di un ponte o ancora l'impatto dell'acqua sulla prua di una nave.

Un pilastro "invisibile" all'azione dell'acqua
Credit: J. Park et al., Phys. Rev. Lett. (2019) via phys.org

"invisibilità" alle onde sismiche (credit: Popular Science)

Altro esempio di invisibilità dovuta ad effetti ottici lo abbiamo con il Rochester Cloak

Se non vedi il video ->youtube. Un video più dettagliato è presente QUI.

Se però non avete alcun interesse per le applicazioni scientifiche o volete stupire subito gli amici con mantelli alla Harry Potter, allora la scelta migliore è quella di dare uno sguardo ai prodotti della Wow! Stuff. Tra gli oggetti da loro venduti c'è quello usato durante la realizzazione del film. Si tratta di un mantello apparentemente uguale agli altri ma che appare trasparente quando viene ripreso da uno smartphone su cui è installata la app del produttore. Chi guarda attraverso il display o guarda il filmato avrà l'impressione di un mantello capace di occultare chi lo indossa .
Vedere per credere.

"Ora anche i babbani possono diventare invisibili" grazie alla App
(prodotti disponibili su Amazon ––> Wow! Stuff)

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Fonti
- Superluminal media formed by photonic crystals for transformation optics-based invisibility cloaks
Elena Semouchkina et al, Journal of Optics (2016)

- Invisibility Cloak With Photonic Crystals
Allison Mills, Michigan Technological University

- Beyond Good Vibrations: New Insights into Metamaterial Magic
Michigan Technological University

- Full ‘invisibility cloak’ is possible in the real world
Globalnews.ca (2018)

- Two teams build invisibility cloaks for water applications
phys.org (2019)

- Dashing the Dream of Ideal ‘Invisibility’ Cloaks for Stress Waves
Georgia Tech (2019)