Η εξέλιξη των οπτικών τεχνολογιών
Οι Οπτικές Τεχνολογίες αλλάζουν τον κόσμο και συνεχώς τον κυριεύουν. Ψηφιακές μηχανές, σαρωτές αποτύπωσης κωδικών σε βιομηχανικά προϊόντα, ηλεκτρονική επεξεργασία μουσικής και video, οπτικές διατάξεις αναγνώρισης χαρακτήρων, διαστασιακές τεχνικές μέτρησης μεγέθους αντικειμένων, τεχνικές Laser στην επεξεργασία υλικών και στις γραφικές τέχνες. Παντού βλέπουμε νέα προϊόντα να βασίζονται στις οπτικές τεχνολογίες αλλάζοντας την καθημερινότητα και επηρεάζοντας αισθητά το άμεσο μέλλον.
Το Δεκέμβριο του 2000 γιορτάστηκαν σε ολόκληρο τον κόσμο τα 100 χρόνια της μοντέρνας Φυσικής. Δικαίως μπορεί να χαρακτηριστεί ο νέος αιώνας ως αιώνας των Οπτικών Τεχνολογιών (ΟΤ). Και αυτό δεν οφείλεται μόνο στο γεγονός ότι οι εφαρμογές τους είναι τεχνολογίες αιχμής, αλλά επειδή θεωρούνται ικανές να μεταμορφώσουν ουσιαστικά τα πεδία της πληροφορικής, των επιστημών υγείας, της βιομηχανίας, καθώς επίσης και την ενεργειακή πολιτική και υποδομή μίας χώρας. Χαρακτηριστικό πεδίο εφαρμογών των ΟΤ είναι ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, τον οποίο πλαισιώνει ένα πλήθος από κύριες συσκευές (π.χ. οθόνη, πληκτρολόγιο, ποντίκι, δίσκοι αποθήκευσης δεδομένων κ.ά.) ή περιφερειακές συσκευές, όπως διάφοροι τύποι εκτυπωτών (laser, inkjet, plotter), σαρωτές εικόνας και κειμένου, modem για τηλέφωνο και τηλεομοιότυπο και σύνδεση με το Διαδίκτυο.
Η αμερικανική ήπειρος έχει προχωρήσει ταχύτερα στις νέες τεχνολογίες, συγκριτικά με την Ευρώπη και τις χώρες της Νοτιοανατολικής Ασίας. Επίκαιρο παράδειγμα είναι η αποκωδικοποίηση του DNA από δύο μεγάλες αμερικανικές εταιρείες, όπου τα επιτεύγματα της γενετικής οφείλονται κυρίως στις σημερινές ΟΤ που δεν ήταν διαθέσιμες πριν 10 ή 20 χρόνια. Πιστεύεται ότι τα αποτελέσματα των ΟΤ θα ακολουθήσουν έναν παράλληλο δρόμο με εκείνον της ιστορίας των Lasers. Τι εννοούμε: όπως είναι γνωστό, το θεωρητικό υπόβαθρο για τη δράση εκπομπής Laser ήταν ήδη γνωστό από τη δεκαετία του ΄10, όταν το 1917 ο Einstein είχε μιλήσει για τη διαδικασία της αυθόρμητης και της εξαναγκασμένης εκπομπής. Όμως χρειάστηκαν να περάσουν 46 ολόκληρα χρόνια, ώστε επιστήμονες να δημιουργήσουν την πρώτη ακτίνα Laser. Από το 1960 μέχρι σήμερα οι εφαρμογές Laser έχουν κατακλύσει την Τεχνολογία. Κάτι ανάλογο θα συμβεί και με τις ΟΤ. Από τη στιγμή που έχουμε ένα σύγχρονο εργαλείο μπορούμε, με ταχείς ρυθμούς, να εφευρίσκουμε νέες μεθοδολογίες και να παράγουμε νέα τεχνολογικά προϊόντα.
Ο ανταγωνισμός στο χώρο των ΟΤ είναι σκληρός. Οικονομικά εύρωστες ευρωπαϊκές χώρες για να μην χάσουν «το τρένο» της τεχνολογίας (άλλα «τρένα» που έχουν χαθεί είναι εκείνο της φαρμακολογίας, της πρώτης και δεύτερης γενεάς των ηλεκτρονικών) έχουν αναπτύξει στρατηγικά προγράμματα ευρείας κλίμακας, με προϋπολογισμούς δις ευρώ για τη στήριξη ερευνητικών προγραμμάτων και την επιχορήγηση προγραμμάτων εφαρμοσμένης έρευνας. Enabling Technology είναι μία συνηθισμένη έκφραση που ακούμε συχνά στους διαδρόμους ερευνητικών εργαστηρίων, κατά τη διάρκεια επιστημονικών συμποσίων ή διαλέξεων. Στα ελληνικά, θα μπορούσαμε να την μεταφράσουμε ως «το ισχυρό υπόβαθρο» για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών με αντίστοιχες εφαρμογές στο κοντινό μέλλον. Συνεπώς, όταν μιλάμε σήμερα για Εnabling Technology σίγουρα αναφερόμαστε και στις ΟΤ. Παρακάτω θα δώσουμε σε μία συνοπτική εικόνα τις σπουδαιότερες εφαρμογές, στις οποίες εκτιμούμε ότι οι ΟΤ ικανοποιούν την παραπάνω εκτίμηση.
Πληροφορική και τηλεπικοινωνίες
«Όλη η γη είναι τυλιγμένη στα δικά μας καλώδια» αναγράφεται στην είσοδο μίας πολυεθνικής εταιρείας οπτικών καλωδίων. Πράγματι, το δίκτυο των οπτικών καλωδίων δεν αυξάνει από μέρα σε μέρα, αλλά γίνεται συνεχώς «πυκνότερο» χρησιμοποιώντας παράλληλα οπτικά κανάλια WDM (wavelength division multiplexing) και πολλαπλασιάζοντας γεωμετρικά το πλήθος των ταυτόχρονων ψηφιακών επικοινωνιών. Το τελευταίο αυτό σημείο σχετίζεται με την κινητή τηλεφωνία και ειδικότερα με τα τηλέφωνα τρίτης γενεάς UMTS (universal mobile telecommunication system), η οποία αναμένεται να αξιοποιήσει αποδοτικά τη χωρητικότητα των χρησιμοποιούμενων οπτικών καναλιών, κάνοντας πραγματικότητα τις ασύρματες εφαρμογές πολυμέσων, αλλά και τις περιηγήσεις στο Διαδίκτυο. Οπτικά καλώδια και οπτικοί ενισχυτές, συστήματα επιλογής συχνοτήτων, μονοχρωματικές πηγές Laser, υπερταχείες ανιχνευτικές διατάξεις, διακλαδωτές και κόμβοι είναι τα «βαριά χαρτιά» ενός χρηματιστηρίου που θα μπορούσε να ανήκει στις Οπτικές Τεχνολογίες. Η αποθήκευση δεδομένων με τη βοήθεια οπτικών μεθόδων είναι γνωστή από τη χρήση των CDs. Επίσης, κυκλοφόρησαν και ψηφιακοί δίσκοι DVD (Digital Versatile Disc), που διαθέτουν πολλαπλάσια δυνατότητα ψηφιακής αποθήκευσης δεδομένων. Σε μία συσκευή για DVD μπορούμε να αποθηκεύσουμε κινούμενη εικόνα, π.χ. από μία ψηφιακή βιντεοκάμερα, που απαιτεί αρκετό χώρο αποθήκευσης, πολλές φορές μερικά GB.
Στα επόμενα χρόνια ενδεχομένως η συσκευή DVD να αντικαταστήσει το παραδοσιακό video (VHS), επειδή τα αποθηκευμένα αντίγραφα των ταινιών δεν θα αλλοιώνονται με το χρόνο. Το video θα θεωρείται τότε ότι το σημερινό μαγνητόφωνο, ένα σπουδαίο συλλεκτικό κομμάτι. Η οπτική απεικόνιση και απόδοση δεν θα σταματήσει εδώ. Το επόμενο βήμα θα είναι η ολογραφική επεξεργασία μίας εικόνας, ώστε να της αποδοθούν χαρακτηριστικά βάθους και να γίνει προβολή σε τρισδιάστατο χώρο. Ένα σημαντικό στοιχείο που ενδιαφέρει το χρήστη είναι η εμφάνιση των δεδομένων στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή (Η/Υ) και σε κάθε άλλη μορφή (display, οπτικοί δείκτες κ.ά.). Η τεχνολογία προχωρά και σε αυτόν τον κλάδο με την κατασκευή εργονομικών σχημάτων (π.χ. επίπεδες οθόνες) και τη χρήση τεχνικών (υγροί κρύσταλλοι, πολωτικές διαφάνειες κ.ά.). Έτσι, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων π.χ. στην κινητή τηλεφωνία προσφέρουν υψηλή ευκρίνεια και ευχρηστία, ενώ πλεονεκτούν και στη λειτουργικότητά τους ως οθόνες αφής. Τα τελευταία χρόνια έχουν αντικατασταθεί σε αυτοκινητόδρομους πολλών ευρωπαϊκών χωρών οι μόνιμες προειδοποιητικές πινακίδες ρύθμισης της κυκλοφορίας με οπτικούς οδοδείκτες, που έχουν τη δυνατότητα πολλαπλών επιλογών ανάλογα με τις κυκλοφοριακές απαιτήσεις.
Ιατρική και γενετική
Οι ΟΤ έχουν μακρά παράδοση στην Ιατρική. Ο κόσμος των μικροβίων ανακαλύφθηκε με τη χρήση οπτικών οργάνων (π.χ. μικροσκόπιο). Το οπτικό μικροσκόπιο είναι τόσο σημαντικό στην Ιατρική όσο και ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής για το θεωρητικό επιστήμονα.
Σήμερα, με την ανάπτυξη μικροσκοπικών τεχνικών στην Ενδοσκοπία, μπορούμε να πετύχουμε χειρουργικές επεμβάσεις σε δύσκολα προσβάσιμα σημεία του ανθρώπινου σώματος (π.χ. γόνατο). Κάθε χρόνο χιλιάδες ασθενείς υποβάλλονται παγκοσμίως σε εγχείρηση αρθροπλαστικής, μία επίπονη διαδικασία κατά την οποία το γόνατο ή το ισχίο αντικαθίσταται με τεχνητό εμφύτευμα. Εξειδικευμένοι σε θέματα βιοϊατρικής, σε συνεργασία με μηχανικούς και φυσικούς, προσπαθούν να τελειοποιήσουν μία νέα θεραπεία που θα αντικαθιστά την εγχείρηση με την αποκαλούμενη εγχεόμενη μηχανική ιστών. Ο χειρισμός των λεπτεπίλεπτων χειρουργικών εργαλείων επιτυγχάνεται με καθοδήγηση των οπτικών ινών. Πρόκειται δηλαδή για μία πλοήγηση του χειρουργού, όπως γίνεται και στο πιλοτήριο ενός αεροπλάνου με την καθοδήγηση του πύργου ελέγχου. Οι ευεργετικές ιδιότητες του φυσικού φωτός ως μέσον θεραπείας ήταν γνωστές από την αρχαιότητα. Όμως αυτό άλλαξε με την εφεύρεση των ακτίνων Laser. Μέσα από ένα οπτικό καλώδιο μπορεί να μεταφερθεί οποιοδήποτε ποσό φωτεινής ενέργειας, σε οποιαδήποτε δόση και μορφή και να αλληλεπιδράσει με την ύλη σε έναν απόλυτα συγκεκριμένο χώρο, χωρίς τα γειτονικά τοιχώματα της ύλης να αντιληφθούν τη δράση του. Η χρήση των Lasers στην Οφθαλμολογία είναι η συχνότερη των εφαρμογών, που συναντάμε σήμερα στο χώρο της Ιατρικής και ακολουθούν οι δερματολογικές παθήσεις και οι χειρουργικές επεμβάσεις. Όμως, η πιστοποίηση ότι μία τεχνική είναι κατάλληλη για την αντίστοιχη ιατρική εφαρμογή μπορεί να διαρκέσει αρκετά χρόνια. Έτσι π.χ. η αντικατάσταση του επώδυνου τροχού του οδοντογιατρού με την εφαρμογή κάποιας ΟΤ είναι πιθανώς ακόμη ένα μακρινό επίτευγμα. Enabling Technology θεωρούνται οι ΟΤ και στην έρευνα της γενετικής που ερευνά την αποτύπωση του ανθρώπινου γονιδιώματος. Έχει εκτιμηθεί ότι 5000 έως 10000 γονίδια και οι πρωτεΐνες τους είναι υπεύθυνα για την εμφάνιση των εκατό πιο διαδεδομένων ασθενειών. Οι πρωτεΐνες συμμετέχουν σε κάθε λειτουργία του κυττάρου, από το μεταβολισμό των τροφών μέχρι την καταπολέμηση των ασθενειών.
Με τον όρο μοριακή απεικόνιση περιγράφουμε τεχνικές που δίνουν τη δυνατότητα στους ερευνητές να παρακολουθούν γονίδια, πρωτεΐνες και άλλα μόρια του οργανισμού. Ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν μαγνητικές και πυρηνικές τεχνικές και τεχνικές οπτικής απεικόνισης, μελετώντας την αλληλεπίδραση των μορίων που αποτελούν τη βάση βιολογικών διαδικασιών. Αν τέτοιες πρωτεΐνες έλθουν σε επαφή με ενεργές ουσίες και ακτινοβοληθούν με ακτίνες Laser, τότε ο επαγόμενος φθορισμός (Laser-induced fluorescence) θα μας πληροφορήσει για τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης. Π.χ. ασθένειες, όπως είναι ο καρκίνος, οι καρδιακές παθήσεις ή το Αλτσχάιμερ, έχουν μία γενετική συνιστώσα να αλληλεπιδρούν με περισσότερα γονίδια ανάλογα με την προδιάθεση του ατόμου. Από μετρήσεις του επαγόμενου φθορισμού, θα είναι εφικτό να σχεδιαστούν εξετάσεις για τον προσδιορισμό της πιθανότητας που έχει το άτομο να αναπτύξει την ασθένεια. Κλινικές δοκιμές έχουν ήδη αρχίσει και στα επόμενα χρόνια η μοριακή απεικόνιση θα αντικαταστήσει βιοψίες, μαστογραφία και άλλες διαγνωστικές μεθόδους. Η τεχνολογία των συστημάτων Laser προσφέρει σήμερα οπτικούς παλμούς με χρονική διάρκεια μερικών femtosecond, που επιτρέπουν να δούμε σε μοριακό και βιολογικό επίπεδο την εξέλιξη υπερταχέων διεργασιών.
Στην Ιατρική, ο κύριος ρόλος των ΟΤ προσανατολίζεται προς την εφαρμοσμένη έρευνα. Η εισαγωγή νέων διαγνωστικών τεχνικών (π.χ. υπέρηχοι, αξονικοί τομογράφοι, μαγνητογραφήματα, θερμογραφία κ.ά.) και πρωτότυπων θεραπευτικών μεθόδων (π.χ. συσκευές Laser σαν όργανα εγχειρήσεων, μέθοδοι κρουστικών κυμάτων κ.ά.) βασίζονται συνήθως σε τελευταίου τύπου μεθοδολογίες και σε πρόσφατες μελέτες της αλληλεπίδρασης των κυττάρων με την ακτινοβολία.
Τεχνητός φωτισμός
Ο άνθρωπος μέσα από την πάροδο του χρόνου κατέβαλε προσπάθειες για τη δημιουργία τεχνητού φωτός, που θα του επέτρεπε να κινείται και να εργάζεται κατά τις νυκτερινές ώρες. Το σκοτάδι πάντα του προκαλούσε ένα αίσθημα φόβου και αβεβαιότητας, ίσως γιατί αχρήστευε τη βασικότερη από τις αισθήσεις του, την όραση. Οι προσπάθειες δεν απέδιδαν τους αναμενόμενους καρπούς. Ακόμη και στην πρώιμη περίοδο της βιομηχανικής επανάστασης, ο φυσικός φωτισμός καθόριζε κατά πολύ τον τρόπο επιβίωσης του ανθρώπου.
Σήμερα, ο άνθρωπος μπορεί να σκέπτεται δημιουργικά, να παράγει και γενικά να εργάζεται καθόλη τη διάρκεια του 24ώρου, μέσα σε χώρους εργασίας, χωρίς να επηρεάζεται από εξωτερικούς παράγοντες (π.χ. κακοκαιρία, ηχορύπανση, σκότος κ.ά.) χρησιμοποιώντας τεχνητό φωτισμό. Τις τελευταίες δεκαετίες μπορέσαμε να ρυθμίσουμε καλύτερα τις εργασιακές συνθήκες, εισάγοντας νέα μοντέλα εργασίας και ελεύθερου χρόνου, όπως το κυμαινόμενο ωράριο εργασίας. Στην πρόοδο του τεχνητού φωτισμού οφείλεται και η ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών που σχετίζονται με την οδική ασφάλεια (π.χ. ρύθμιση κυκλοφορίας με οπτικούς σηματοδότες, κατασκευή νέων παραβολικών κατόπτρων για οχήματα που κατανέμουν τη φωτεινή ισχύ με τη βοήθεια αισθητήρων, ανάπτυξη οπτικών συστημάτων έγκαιρης προειδοποίησης κινδύνου για τους οδηγούς οχημάτων, οπτικές ενδείξεις στα κράσπεδα των αυτοκινητοδρόμων κ.ά.).
Ο εικαστικός φωτισμός είναι επίσης ένας κλάδος των ΟΤ. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα των συστημάτων φωτισμού προσφέρει σήμερα τη δυνατότητα δραστικής επέμβασης στην οπτική προβολή και αισθητική παρουσίαση πολλών θεμάτων, που μέχρι χθες περιορίζονταν στον κλασικό τρόπο των εικαστικών τεχνών. Παράλληλα, η αντίληψη του σύγχρονου ανθρώπου για το χώρο που τον περιβάλλει και η συνεχής υποβολή του σε ποικίλα οπτικά ερεθίσματα καλλιεργεί υψηλές προσδοκίες για το οπτικό του περιβάλλον. Έτσι, ο εικαστικός φωτισμός έχει αποτελέσει στο δυτικό κόσμο ένα σημαντικό στοιχείο του χώρου κατά τις νυκτερινές ώρες. Το νυκτερινό τοπίο αφομοιώνεται εκ μέρους των πολιτών στις πόλεις και συνειδητοποιείται η αξία του, ενώ παράλληλα αναπτύσσονται δεξιότητες διαχείρισης του εικαστικού φωτισμού με την απαραίτητη λεπτότητα. Ο φωτισμός εσωτερικών χώρων ακολουθεί νέες τεχνικές. Π.χ. μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των λαμπτήρων, εξοικονόμηση ενέργειας, κατανομή της φωτεινής ισχύος ανάλογα με τις εργονομικές απαιτήσεις του χρήστη και ρύθμιση της φασματικής απόκρισης σύμφωνα με τις συνθήκες περιβάλλοντος αλλά και τις προσωπικές επιλογές. Παράλληλα αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας από ήπιες μορφές ενέργειας (π.χ. ηλιακή, αιολική) και αντιμετωπίζεται σοβαρότερα το πρόβλημα της ρύπανσης ή της χρήσης τοξικών ουσιών (π.χ. του υδραργύρου). Είναι γνωστό πως η ενέργεια από τον ήλιο είναι η καλύτερη εναλλακτική λύση εξαιτίας των περιορισμένων αποθεμάτων σε πετρέλαιο και ορυκτό πλούτο.
Πολλοί ερευνητές έχουν στρέψει την προσοχή τους στο συνδυασμό νανοτεχνολογίας και ηλιακής ενέργειας. Στόχος τους είναι να παράγουν φωτοβολταϊκά υλικά, τα οποία θα επικαλύπτουν μία επιφάνεια σαν πλαστικό περιτύλιγμα ή μπογιά. Τα αποκαλούμενα νανοηλιακά κύτταρα θα μπορέσουν να ενσωματωθούν σε κατασκευαστικά υλικά και να παράγουν ενέργεια από την έκθεσή τους στον ήλιο.
Οπτικές τεχνολογίες στη βιομηχανική παραγωγή
Δεν αμφισβητεί κανένας το γεγονός ότι το φως του ηλίου είναι η καλύτερη πηγή για να απεικονίσει ένας καλλιτέχνης τα έργα του ή ένας φωτογράφος να αποθανατίσει ένα τοπίο με εξαιρετικά χρώματα. Όμως, οι ακτίνες Laser είναι ένα σπουδαίο επιστημονικό εργαλείο με μοναδικές ιδιότητες, όπως είναι η κατευθυντικότητα, η μονοχρωματικότητα και η λαμπρότητα της δέσμης. Τις οπτικές ιδιότητες των ακτίνων Laser εκμεταλλευόμαστε σήμερα στα διάφορα στάδια της βιομηχανικής παραγωγής.
Οι διαθέσιμες πηγές Laser είναι περισσότερο εύχρηστες, μικρότερων διαστάσεων, μπορούν να ρυθμιστούν από απόσταση ή μέσα από ηλεκτρονικό υπολογιστή και διαθέτουν ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος εκπομπής, έτσι ώστε να είναι προσιτές σε φυσικές και χημικές διεργασίες. Οι οπτικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των ακτίνων Laser ανοίγουν μία νέα σελίδα στη χρήση τους ως βιομηχανικά εργαλεία. Στην επεξεργασία μετάλλων, π.χ. συγκόλληση, κοπή και επεξεργασία επιφανειών, διαδραματίζουν έναν καθοριστικό ρόλο. Με μοντέρνες τεχνικές δεν πετυχαίνουμε μόνο καλύτερη ποιότητα βιομηχανικής παραγωγής, αλλά εξοικονόμηση ενέργειας και μεγαλύτερη οικονομική απόδοση. Το γεγονός αυτό θα οδηγήσει στο μέλλον πολλούς κλάδους (από τις μικρομεσαίες επιχειρήσεις μέχρι τις βιομηχανικές μονάδες) στη χρήση τεχνολογιών αιχμής σε συνδυασμό με τις ΟΤ.
Enabling Technology θεωρείται σήμερα η τεχνολογία των μικροκατασκευών, π.χ. κατασκευές SMD (surface mounted devices) και κινητά τηλέφωνα. Αυτή η αλλαγή, από την κλασική ηλεκτρομηχανική στην οπτικοηλεκτρονική διάσταση, δείχνει την τάση που αρχίζει να επικρατεί στις τεχνικές βιομηχανικής παραγωγής. Έτσι, οπτικές διατάξεις χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία των ημιαγωγών κατά την παραγωγή πλήρως ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή ημιαγωγικών στοιχείων, όπως είναι οι ημιαγωγοί Laser υψηλής απόδοσης ή άλλες οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις. Η απαίτηση στη χρήση μικροδιατάξεων θα ωθήσει επαγωγικά την ανάπτυξη και άλλων επιστημονικών προϊόντων, όπως π.χ. νέες πηγές Laser υπεριώδους, τεχνολογία των λεπτών υμενίων κ.ά.Οι ΟΤ θεωρούνται σήμερα το κλειδί για σύγχρονες τεχνικές, που μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία στη βιομηχανική παραγωγή του αύριο.
Οπτικοί αισθητήρες
Ηλεκτρονικοί κατάσκοποι ή ηλεκτρονικά μάτια θεωρούμε όλες εκείνες τις διατάξεις που μπορούν να ανιχνεύουν την ύπαρξη οσμών ή και αιωρούμενων ρυπογόνων σωματιδίων, να «αισθάνονται» θερμοκρασιακές μεταβολές, μεταβολές μηχανικής πίεσης και μικροδονήσεις δαπέδου ή να μετρούν τη ροή του φυσικού αερίου σε κλειστούς αγωγούς. Οι διατάξεις αυτές ανήκουν στην ίδια κατηγορία των οπτικών αισθητήρων, η κατασκευή των οποίων απαιτεί τη χρήση σύγχρονων οπτικών τεχνολογιών. Στον κλάδο της ρομποτικής αναφέρουμε, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα, την αυτόνομη κίνηση ενός ρομπότ, που καθοδηγείται από οπτικούς αισθητήρες. Μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες εκτελούν πιλοτικά προγράμματα πλοήγησης οχημάτων χωρίς οδηγό, όπου οπτικοί υπέρυθροι αισθητήρες αναλαμβάνουν την οδήγηση μέσα στη «ζούγκλα» των φωτεινών σηματοδοτών και της οδοσήμανσης.
Η μηχατρονική (Mechatronics) είναι η νέα κυρίαρχη τάση στην αυτοκινητοβιομηχανία. Πρόκειται για το συνδυασμό γνωστών μηχανικών συστημάτων με νέα οπτικοηλεκτρονικά συστατικά και «έξυπνο» λογισμικό. Τα φρένα, για παράδειγμα, μελλοντικά θα λειτουργούν με ηλεκτρομηχανικούς και όχι υδραυλικούς μηχανισμούς. Πρωτοποριακές έρευνες βασίζονται στην ανάπτυξη λογισμικού που «αντιλαμβάνεται» και διορθώνει τα προβλήματα στο σύστημα των φρένων (σε πραγματικό χρόνο) λαμβάνοντας δεδομένα από αισθητήρες. Ο τομέας της μηχατρονικής εξαπλώνεται διαρκώς χάρη στους μικροεπεξεργαστές, στους εξελιγμένους αισθητήρες και στην αυστηρότερη νομοθεσία περί εκπομπής καυσαερίων των οχημάτων. Στο μέλλον, δίκτυα μικροσκοπικών ασύρματων αισθητήρων θα παρακολουθούν το περιβάλλον, τα μηχανήματα και τον άνθρωπο.
Η έρευνα στηρίζεται, προς το παρόν, στη δημιουργία «έξυπνου» λογισμικού, το οποίο θα επιτρέπει στους αισθητήρες να επικοινωνούν μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας τέτοιου είδους δίκτυα θα είναι δυνατή η παρακολούθηση σεισμών και η καταγραφή του μικροκλίματος σε εθνικούς δρυμούς ή προστατευμένες ορεινές περιοχές. Στόχος όλων των ερευνών είναι η ελαχιστοποίηση του μεγέθους τους, ώστε να εισχωρούν στην επιφάνεια του οδοστρώματος, σε κατασκευαστικά υλικά, σε υφάσματα και στο ανθρώπινο σώμα. Ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών αισθητήρων συναντάμε, σήμερα, στον τομέα της ασφάλειας κτηρίων και οικοδομών, καθώς επίσης και στην επιτήρηση οικιακών συσκευών. Από την προστασία χώρων με υπέρυθρες ακτίνες μέχρι τη λειτουργία του θερμοστάτη στο θερμοσίφωνα ή την καφετιέρα.
Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στην Ιατρική και ειδικότερα στον κλάδο της πρόληψης. Μία απλή, σε διαδικασία, ανάλυση αίματος μπορεί να γίνει με τη βοήθεια αισθητήρων στο σπίτι του ασθενή. Οι αναλύσεις μεταφράζονται σε δεδομένα, τα οποία είτε ο ίδιος ο ασθενής μπορεί μόνος του να αξιολογήσει είτε στέλνονται ηλεκτρονικά στο συνδεδεμένο με το διαδίκτυο νοσοκομείο ή κέντρο υγείας, το οποίο αποφασίζει για τη θεραπεία που θα ακολουθήσει ο ασθενής. Οποιοσδήποτε μπορεί επομένως να αντιληφθεί, πόσο χρήσιμη θα ήταν αυτή η μέθοδος π.χ. στους διαβητικούς ή σε άλλες κατηγορίες ασθενών, που χρήζουν συνεχούς παρακολούθησης.
Επίλογος
Οι Οπτικές Τεχνολογίες βρίσκονται σήμερα στο επίκεντρο του επιστημονικού και τεχνολογικού ενδιαφέροντος. Οπτικές επικοινωνίες, ιατρικές εφαρμογές, μελέτες του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος και θέματα ενεργειακής πολιτικής θα απασχολήσουν την κοινωνία μας τις επόμενες δεκαετίες. Εδώ ανοίγει ένα μεγάλο κεφάλαιο που υπόσχεται τη δημιουργία νέων «φωτονικών» επαγγελμάτων, με ένα ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων. Αυτές οι δραστηριότητες θα εκτείνονται από το μηχανικό των συστημάτων εφαρμογής και εκείνον της επεξεργασίας εικόνας μέχρι το θεωρητικό επιστήμονα και θα έχει αφετηρία το ίδιο το φωτόνιο.
Οι Οπτικές Τεχνολογίες αλλάζουν τον κόσμο και συνεχώς τον κυριεύουν. Ψηφιακές μηχανές, σαρωτές αποτύπωσης κωδικών σε βιομηχανικά προϊόντα, ηλεκτρονική επεξεργασία μουσικής και video, οπτικές διατάξεις αναγνώρισης χαρακτήρων, διαστασιακές τεχνικές μέτρησης μεγέθους αντικειμένων, τεχνικές Laser στην επεξεργασία υλικών και στις γραφικές τέχνες. Παντού βλέπουμε νέα προϊόντα να βασίζονται στις οπτικές τεχνολογίες αλλάζοντας την καθημερινότητα και επηρεάζοντας αισθητά το άμεσο μέλλον.
Το Δεκέμβριο του 2000 γιορτάστηκαν σε ολόκληρο τον κόσμο τα 100 χρόνια της μοντέρνας Φυσικής. Δικαίως μπορεί να χαρακτηριστεί ο νέος αιώνας ως αιώνας των Οπτικών Τεχνολογιών (ΟΤ). Και αυτό δεν οφείλεται μόνο στο γεγονός ότι οι εφαρμογές τους είναι τεχνολογίες αιχμής, αλλά επειδή θεωρούνται ικανές να μεταμορφώσουν ουσιαστικά τα πεδία της πληροφορικής, των επιστημών υγείας, της βιομηχανίας, καθώς επίσης και την ενεργειακή πολιτική και υποδομή μίας χώρας. Χαρακτηριστικό πεδίο εφαρμογών των ΟΤ είναι ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, τον οποίο πλαισιώνει ένα πλήθος από κύριες συσκευές (π.χ. οθόνη, πληκτρολόγιο, ποντίκι, δίσκοι αποθήκευσης δεδομένων κ.ά.) ή περιφερειακές συσκευές, όπως διάφοροι τύποι εκτυπωτών (laser, inkjet, plotter), σαρωτές εικόνας και κειμένου, modem για τηλέφωνο και τηλεομοιότυπο και σύνδεση με το Διαδίκτυο.
Η αμερικανική ήπειρος έχει προχωρήσει ταχύτερα στις νέες τεχνολογίες, συγκριτικά με την Ευρώπη και τις χώρες της Νοτιοανατολικής Ασίας. Επίκαιρο παράδειγμα είναι η αποκωδικοποίηση του DNA από δύο μεγάλες αμερικανικές εταιρείες, όπου τα επιτεύγματα της γενετικής οφείλονται κυρίως στις σημερινές ΟΤ που δεν ήταν διαθέσιμες πριν 10 ή 20 χρόνια. Πιστεύεται ότι τα αποτελέσματα των ΟΤ θα ακολουθήσουν έναν παράλληλο δρόμο με εκείνον της ιστορίας των Lasers. Τι εννοούμε: όπως είναι γνωστό, το θεωρητικό υπόβαθρο για τη δράση εκπομπής Laser ήταν ήδη γνωστό από τη δεκαετία του ΄10, όταν το 1917 ο Einstein είχε μιλήσει για τη διαδικασία της αυθόρμητης και της εξαναγκασμένης εκπομπής. Όμως χρειάστηκαν να περάσουν 46 ολόκληρα χρόνια, ώστε επιστήμονες να δημιουργήσουν την πρώτη ακτίνα Laser. Από το 1960 μέχρι σήμερα οι εφαρμογές Laser έχουν κατακλύσει την Τεχνολογία. Κάτι ανάλογο θα συμβεί και με τις ΟΤ. Από τη στιγμή που έχουμε ένα σύγχρονο εργαλείο μπορούμε, με ταχείς ρυθμούς, να εφευρίσκουμε νέες μεθοδολογίες και να παράγουμε νέα τεχνολογικά προϊόντα.
Ο ανταγωνισμός στο χώρο των ΟΤ είναι σκληρός. Οικονομικά εύρωστες ευρωπαϊκές χώρες για να μην χάσουν «το τρένο» της τεχνολογίας (άλλα «τρένα» που έχουν χαθεί είναι εκείνο της φαρμακολογίας, της πρώτης και δεύτερης γενεάς των ηλεκτρονικών) έχουν αναπτύξει στρατηγικά προγράμματα ευρείας κλίμακας, με προϋπολογισμούς δις ευρώ για τη στήριξη ερευνητικών προγραμμάτων και την επιχορήγηση προγραμμάτων εφαρμοσμένης έρευνας. Enabling Technology είναι μία συνηθισμένη έκφραση που ακούμε συχνά στους διαδρόμους ερευνητικών εργαστηρίων, κατά τη διάρκεια επιστημονικών συμποσίων ή διαλέξεων. Στα ελληνικά, θα μπορούσαμε να την μεταφράσουμε ως «το ισχυρό υπόβαθρο» για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών με αντίστοιχες εφαρμογές στο κοντινό μέλλον. Συνεπώς, όταν μιλάμε σήμερα για Εnabling Technology σίγουρα αναφερόμαστε και στις ΟΤ. Παρακάτω θα δώσουμε σε μία συνοπτική εικόνα τις σπουδαιότερες εφαρμογές, στις οποίες εκτιμούμε ότι οι ΟΤ ικανοποιούν την παραπάνω εκτίμηση.
Πληροφορική και τηλεπικοινωνίες
«Όλη η γη είναι τυλιγμένη στα δικά μας καλώδια» αναγράφεται στην είσοδο μίας πολυεθνικής εταιρείας οπτικών καλωδίων. Πράγματι, το δίκτυο των οπτικών καλωδίων δεν αυξάνει από μέρα σε μέρα, αλλά γίνεται συνεχώς «πυκνότερο» χρησιμοποιώντας παράλληλα οπτικά κανάλια WDM (wavelength division multiplexing) και πολλαπλασιάζοντας γεωμετρικά το πλήθος των ταυτόχρονων ψηφιακών επικοινωνιών. Το τελευταίο αυτό σημείο σχετίζεται με την κινητή τηλεφωνία και ειδικότερα με τα τηλέφωνα τρίτης γενεάς UMTS (universal mobile telecommunication system), η οποία αναμένεται να αξιοποιήσει αποδοτικά τη χωρητικότητα των χρησιμοποιούμενων οπτικών καναλιών, κάνοντας πραγματικότητα τις ασύρματες εφαρμογές πολυμέσων, αλλά και τις περιηγήσεις στο Διαδίκτυο. Οπτικά καλώδια και οπτικοί ενισχυτές, συστήματα επιλογής συχνοτήτων, μονοχρωματικές πηγές Laser, υπερταχείες ανιχνευτικές διατάξεις, διακλαδωτές και κόμβοι είναι τα «βαριά χαρτιά» ενός χρηματιστηρίου που θα μπορούσε να ανήκει στις Οπτικές Τεχνολογίες. Η αποθήκευση δεδομένων με τη βοήθεια οπτικών μεθόδων είναι γνωστή από τη χρήση των CDs. Επίσης, κυκλοφόρησαν και ψηφιακοί δίσκοι DVD (Digital Versatile Disc), που διαθέτουν πολλαπλάσια δυνατότητα ψηφιακής αποθήκευσης δεδομένων. Σε μία συσκευή για DVD μπορούμε να αποθηκεύσουμε κινούμενη εικόνα, π.χ. από μία ψηφιακή βιντεοκάμερα, που απαιτεί αρκετό χώρο αποθήκευσης, πολλές φορές μερικά GB.
Στα επόμενα χρόνια ενδεχομένως η συσκευή DVD να αντικαταστήσει το παραδοσιακό video (VHS), επειδή τα αποθηκευμένα αντίγραφα των ταινιών δεν θα αλλοιώνονται με το χρόνο. Το video θα θεωρείται τότε ότι το σημερινό μαγνητόφωνο, ένα σπουδαίο συλλεκτικό κομμάτι. Η οπτική απεικόνιση και απόδοση δεν θα σταματήσει εδώ. Το επόμενο βήμα θα είναι η ολογραφική επεξεργασία μίας εικόνας, ώστε να της αποδοθούν χαρακτηριστικά βάθους και να γίνει προβολή σε τρισδιάστατο χώρο. Ένα σημαντικό στοιχείο που ενδιαφέρει το χρήστη είναι η εμφάνιση των δεδομένων στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή (Η/Υ) και σε κάθε άλλη μορφή (display, οπτικοί δείκτες κ.ά.). Η τεχνολογία προχωρά και σε αυτόν τον κλάδο με την κατασκευή εργονομικών σχημάτων (π.χ. επίπεδες οθόνες) και τη χρήση τεχνικών (υγροί κρύσταλλοι, πολωτικές διαφάνειες κ.ά.). Έτσι, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων π.χ. στην κινητή τηλεφωνία προσφέρουν υψηλή ευκρίνεια και ευχρηστία, ενώ πλεονεκτούν και στη λειτουργικότητά τους ως οθόνες αφής. Τα τελευταία χρόνια έχουν αντικατασταθεί σε αυτοκινητόδρομους πολλών ευρωπαϊκών χωρών οι μόνιμες προειδοποιητικές πινακίδες ρύθμισης της κυκλοφορίας με οπτικούς οδοδείκτες, που έχουν τη δυνατότητα πολλαπλών επιλογών ανάλογα με τις κυκλοφοριακές απαιτήσεις.
Ιατρική και γενετική
Οι ΟΤ έχουν μακρά παράδοση στην Ιατρική. Ο κόσμος των μικροβίων ανακαλύφθηκε με τη χρήση οπτικών οργάνων (π.χ. μικροσκόπιο). Το οπτικό μικροσκόπιο είναι τόσο σημαντικό στην Ιατρική όσο και ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής για το θεωρητικό επιστήμονα.
Σήμερα, με την ανάπτυξη μικροσκοπικών τεχνικών στην Ενδοσκοπία, μπορούμε να πετύχουμε χειρουργικές επεμβάσεις σε δύσκολα προσβάσιμα σημεία του ανθρώπινου σώματος (π.χ. γόνατο). Κάθε χρόνο χιλιάδες ασθενείς υποβάλλονται παγκοσμίως σε εγχείρηση αρθροπλαστικής, μία επίπονη διαδικασία κατά την οποία το γόνατο ή το ισχίο αντικαθίσταται με τεχνητό εμφύτευμα. Εξειδικευμένοι σε θέματα βιοϊατρικής, σε συνεργασία με μηχανικούς και φυσικούς, προσπαθούν να τελειοποιήσουν μία νέα θεραπεία που θα αντικαθιστά την εγχείρηση με την αποκαλούμενη εγχεόμενη μηχανική ιστών. Ο χειρισμός των λεπτεπίλεπτων χειρουργικών εργαλείων επιτυγχάνεται με καθοδήγηση των οπτικών ινών. Πρόκειται δηλαδή για μία πλοήγηση του χειρουργού, όπως γίνεται και στο πιλοτήριο ενός αεροπλάνου με την καθοδήγηση του πύργου ελέγχου. Οι ευεργετικές ιδιότητες του φυσικού φωτός ως μέσον θεραπείας ήταν γνωστές από την αρχαιότητα. Όμως αυτό άλλαξε με την εφεύρεση των ακτίνων Laser. Μέσα από ένα οπτικό καλώδιο μπορεί να μεταφερθεί οποιοδήποτε ποσό φωτεινής ενέργειας, σε οποιαδήποτε δόση και μορφή και να αλληλεπιδράσει με την ύλη σε έναν απόλυτα συγκεκριμένο χώρο, χωρίς τα γειτονικά τοιχώματα της ύλης να αντιληφθούν τη δράση του. Η χρήση των Lasers στην Οφθαλμολογία είναι η συχνότερη των εφαρμογών, που συναντάμε σήμερα στο χώρο της Ιατρικής και ακολουθούν οι δερματολογικές παθήσεις και οι χειρουργικές επεμβάσεις. Όμως, η πιστοποίηση ότι μία τεχνική είναι κατάλληλη για την αντίστοιχη ιατρική εφαρμογή μπορεί να διαρκέσει αρκετά χρόνια. Έτσι π.χ. η αντικατάσταση του επώδυνου τροχού του οδοντογιατρού με την εφαρμογή κάποιας ΟΤ είναι πιθανώς ακόμη ένα μακρινό επίτευγμα. Enabling Technology θεωρούνται οι ΟΤ και στην έρευνα της γενετικής που ερευνά την αποτύπωση του ανθρώπινου γονιδιώματος. Έχει εκτιμηθεί ότι 5000 έως 10000 γονίδια και οι πρωτεΐνες τους είναι υπεύθυνα για την εμφάνιση των εκατό πιο διαδεδομένων ασθενειών. Οι πρωτεΐνες συμμετέχουν σε κάθε λειτουργία του κυττάρου, από το μεταβολισμό των τροφών μέχρι την καταπολέμηση των ασθενειών.
Με τον όρο μοριακή απεικόνιση περιγράφουμε τεχνικές που δίνουν τη δυνατότητα στους ερευνητές να παρακολουθούν γονίδια, πρωτεΐνες και άλλα μόρια του οργανισμού. Ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν μαγνητικές και πυρηνικές τεχνικές και τεχνικές οπτικής απεικόνισης, μελετώντας την αλληλεπίδραση των μορίων που αποτελούν τη βάση βιολογικών διαδικασιών. Αν τέτοιες πρωτεΐνες έλθουν σε επαφή με ενεργές ουσίες και ακτινοβοληθούν με ακτίνες Laser, τότε ο επαγόμενος φθορισμός (Laser-induced fluorescence) θα μας πληροφορήσει για τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης. Π.χ. ασθένειες, όπως είναι ο καρκίνος, οι καρδιακές παθήσεις ή το Αλτσχάιμερ, έχουν μία γενετική συνιστώσα να αλληλεπιδρούν με περισσότερα γονίδια ανάλογα με την προδιάθεση του ατόμου. Από μετρήσεις του επαγόμενου φθορισμού, θα είναι εφικτό να σχεδιαστούν εξετάσεις για τον προσδιορισμό της πιθανότητας που έχει το άτομο να αναπτύξει την ασθένεια. Κλινικές δοκιμές έχουν ήδη αρχίσει και στα επόμενα χρόνια η μοριακή απεικόνιση θα αντικαταστήσει βιοψίες, μαστογραφία και άλλες διαγνωστικές μεθόδους. Η τεχνολογία των συστημάτων Laser προσφέρει σήμερα οπτικούς παλμούς με χρονική διάρκεια μερικών femtosecond, που επιτρέπουν να δούμε σε μοριακό και βιολογικό επίπεδο την εξέλιξη υπερταχέων διεργασιών.
Στην Ιατρική, ο κύριος ρόλος των ΟΤ προσανατολίζεται προς την εφαρμοσμένη έρευνα. Η εισαγωγή νέων διαγνωστικών τεχνικών (π.χ. υπέρηχοι, αξονικοί τομογράφοι, μαγνητογραφήματα, θερμογραφία κ.ά.) και πρωτότυπων θεραπευτικών μεθόδων (π.χ. συσκευές Laser σαν όργανα εγχειρήσεων, μέθοδοι κρουστικών κυμάτων κ.ά.) βασίζονται συνήθως σε τελευταίου τύπου μεθοδολογίες και σε πρόσφατες μελέτες της αλληλεπίδρασης των κυττάρων με την ακτινοβολία.
Τεχνητός φωτισμός
Ο άνθρωπος μέσα από την πάροδο του χρόνου κατέβαλε προσπάθειες για τη δημιουργία τεχνητού φωτός, που θα του επέτρεπε να κινείται και να εργάζεται κατά τις νυκτερινές ώρες. Το σκοτάδι πάντα του προκαλούσε ένα αίσθημα φόβου και αβεβαιότητας, ίσως γιατί αχρήστευε τη βασικότερη από τις αισθήσεις του, την όραση. Οι προσπάθειες δεν απέδιδαν τους αναμενόμενους καρπούς. Ακόμη και στην πρώιμη περίοδο της βιομηχανικής επανάστασης, ο φυσικός φωτισμός καθόριζε κατά πολύ τον τρόπο επιβίωσης του ανθρώπου.
Σήμερα, ο άνθρωπος μπορεί να σκέπτεται δημιουργικά, να παράγει και γενικά να εργάζεται καθόλη τη διάρκεια του 24ώρου, μέσα σε χώρους εργασίας, χωρίς να επηρεάζεται από εξωτερικούς παράγοντες (π.χ. κακοκαιρία, ηχορύπανση, σκότος κ.ά.) χρησιμοποιώντας τεχνητό φωτισμό. Τις τελευταίες δεκαετίες μπορέσαμε να ρυθμίσουμε καλύτερα τις εργασιακές συνθήκες, εισάγοντας νέα μοντέλα εργασίας και ελεύθερου χρόνου, όπως το κυμαινόμενο ωράριο εργασίας. Στην πρόοδο του τεχνητού φωτισμού οφείλεται και η ανάπτυξη άλλων τεχνολογιών που σχετίζονται με την οδική ασφάλεια (π.χ. ρύθμιση κυκλοφορίας με οπτικούς σηματοδότες, κατασκευή νέων παραβολικών κατόπτρων για οχήματα που κατανέμουν τη φωτεινή ισχύ με τη βοήθεια αισθητήρων, ανάπτυξη οπτικών συστημάτων έγκαιρης προειδοποίησης κινδύνου για τους οδηγούς οχημάτων, οπτικές ενδείξεις στα κράσπεδα των αυτοκινητοδρόμων κ.ά.).
Ο εικαστικός φωτισμός είναι επίσης ένας κλάδος των ΟΤ. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας στον τομέα των συστημάτων φωτισμού προσφέρει σήμερα τη δυνατότητα δραστικής επέμβασης στην οπτική προβολή και αισθητική παρουσίαση πολλών θεμάτων, που μέχρι χθες περιορίζονταν στον κλασικό τρόπο των εικαστικών τεχνών. Παράλληλα, η αντίληψη του σύγχρονου ανθρώπου για το χώρο που τον περιβάλλει και η συνεχής υποβολή του σε ποικίλα οπτικά ερεθίσματα καλλιεργεί υψηλές προσδοκίες για το οπτικό του περιβάλλον. Έτσι, ο εικαστικός φωτισμός έχει αποτελέσει στο δυτικό κόσμο ένα σημαντικό στοιχείο του χώρου κατά τις νυκτερινές ώρες. Το νυκτερινό τοπίο αφομοιώνεται εκ μέρους των πολιτών στις πόλεις και συνειδητοποιείται η αξία του, ενώ παράλληλα αναπτύσσονται δεξιότητες διαχείρισης του εικαστικού φωτισμού με την απαραίτητη λεπτότητα. Ο φωτισμός εσωτερικών χώρων ακολουθεί νέες τεχνικές. Π.χ. μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των λαμπτήρων, εξοικονόμηση ενέργειας, κατανομή της φωτεινής ισχύος ανάλογα με τις εργονομικές απαιτήσεις του χρήστη και ρύθμιση της φασματικής απόκρισης σύμφωνα με τις συνθήκες περιβάλλοντος αλλά και τις προσωπικές επιλογές. Παράλληλα αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας από ήπιες μορφές ενέργειας (π.χ. ηλιακή, αιολική) και αντιμετωπίζεται σοβαρότερα το πρόβλημα της ρύπανσης ή της χρήσης τοξικών ουσιών (π.χ. του υδραργύρου). Είναι γνωστό πως η ενέργεια από τον ήλιο είναι η καλύτερη εναλλακτική λύση εξαιτίας των περιορισμένων αποθεμάτων σε πετρέλαιο και ορυκτό πλούτο.
Πολλοί ερευνητές έχουν στρέψει την προσοχή τους στο συνδυασμό νανοτεχνολογίας και ηλιακής ενέργειας. Στόχος τους είναι να παράγουν φωτοβολταϊκά υλικά, τα οποία θα επικαλύπτουν μία επιφάνεια σαν πλαστικό περιτύλιγμα ή μπογιά. Τα αποκαλούμενα νανοηλιακά κύτταρα θα μπορέσουν να ενσωματωθούν σε κατασκευαστικά υλικά και να παράγουν ενέργεια από την έκθεσή τους στον ήλιο.
Οπτικές τεχνολογίες στη βιομηχανική παραγωγή
Δεν αμφισβητεί κανένας το γεγονός ότι το φως του ηλίου είναι η καλύτερη πηγή για να απεικονίσει ένας καλλιτέχνης τα έργα του ή ένας φωτογράφος να αποθανατίσει ένα τοπίο με εξαιρετικά χρώματα. Όμως, οι ακτίνες Laser είναι ένα σπουδαίο επιστημονικό εργαλείο με μοναδικές ιδιότητες, όπως είναι η κατευθυντικότητα, η μονοχρωματικότητα και η λαμπρότητα της δέσμης. Τις οπτικές ιδιότητες των ακτίνων Laser εκμεταλλευόμαστε σήμερα στα διάφορα στάδια της βιομηχανικής παραγωγής.
Οι διαθέσιμες πηγές Laser είναι περισσότερο εύχρηστες, μικρότερων διαστάσεων, μπορούν να ρυθμιστούν από απόσταση ή μέσα από ηλεκτρονικό υπολογιστή και διαθέτουν ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος εκπομπής, έτσι ώστε να είναι προσιτές σε φυσικές και χημικές διεργασίες. Οι οπτικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των ακτίνων Laser ανοίγουν μία νέα σελίδα στη χρήση τους ως βιομηχανικά εργαλεία. Στην επεξεργασία μετάλλων, π.χ. συγκόλληση, κοπή και επεξεργασία επιφανειών, διαδραματίζουν έναν καθοριστικό ρόλο. Με μοντέρνες τεχνικές δεν πετυχαίνουμε μόνο καλύτερη ποιότητα βιομηχανικής παραγωγής, αλλά εξοικονόμηση ενέργειας και μεγαλύτερη οικονομική απόδοση. Το γεγονός αυτό θα οδηγήσει στο μέλλον πολλούς κλάδους (από τις μικρομεσαίες επιχειρήσεις μέχρι τις βιομηχανικές μονάδες) στη χρήση τεχνολογιών αιχμής σε συνδυασμό με τις ΟΤ.
Enabling Technology θεωρείται σήμερα η τεχνολογία των μικροκατασκευών, π.χ. κατασκευές SMD (surface mounted devices) και κινητά τηλέφωνα. Αυτή η αλλαγή, από την κλασική ηλεκτρομηχανική στην οπτικοηλεκτρονική διάσταση, δείχνει την τάση που αρχίζει να επικρατεί στις τεχνικές βιομηχανικής παραγωγής. Έτσι, οπτικές διατάξεις χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία των ημιαγωγών κατά την παραγωγή πλήρως ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή ημιαγωγικών στοιχείων, όπως είναι οι ημιαγωγοί Laser υψηλής απόδοσης ή άλλες οπτικοηλεκτρονικές διατάξεις. Η απαίτηση στη χρήση μικροδιατάξεων θα ωθήσει επαγωγικά την ανάπτυξη και άλλων επιστημονικών προϊόντων, όπως π.χ. νέες πηγές Laser υπεριώδους, τεχνολογία των λεπτών υμενίων κ.ά.Οι ΟΤ θεωρούνται σήμερα το κλειδί για σύγχρονες τεχνικές, που μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία στη βιομηχανική παραγωγή του αύριο.
Οπτικοί αισθητήρες
Ηλεκτρονικοί κατάσκοποι ή ηλεκτρονικά μάτια θεωρούμε όλες εκείνες τις διατάξεις που μπορούν να ανιχνεύουν την ύπαρξη οσμών ή και αιωρούμενων ρυπογόνων σωματιδίων, να «αισθάνονται» θερμοκρασιακές μεταβολές, μεταβολές μηχανικής πίεσης και μικροδονήσεις δαπέδου ή να μετρούν τη ροή του φυσικού αερίου σε κλειστούς αγωγούς. Οι διατάξεις αυτές ανήκουν στην ίδια κατηγορία των οπτικών αισθητήρων, η κατασκευή των οποίων απαιτεί τη χρήση σύγχρονων οπτικών τεχνολογιών. Στον κλάδο της ρομποτικής αναφέρουμε, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα, την αυτόνομη κίνηση ενός ρομπότ, που καθοδηγείται από οπτικούς αισθητήρες. Μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες εκτελούν πιλοτικά προγράμματα πλοήγησης οχημάτων χωρίς οδηγό, όπου οπτικοί υπέρυθροι αισθητήρες αναλαμβάνουν την οδήγηση μέσα στη «ζούγκλα» των φωτεινών σηματοδοτών και της οδοσήμανσης.
Η μηχατρονική (Mechatronics) είναι η νέα κυρίαρχη τάση στην αυτοκινητοβιομηχανία. Πρόκειται για το συνδυασμό γνωστών μηχανικών συστημάτων με νέα οπτικοηλεκτρονικά συστατικά και «έξυπνο» λογισμικό. Τα φρένα, για παράδειγμα, μελλοντικά θα λειτουργούν με ηλεκτρομηχανικούς και όχι υδραυλικούς μηχανισμούς. Πρωτοποριακές έρευνες βασίζονται στην ανάπτυξη λογισμικού που «αντιλαμβάνεται» και διορθώνει τα προβλήματα στο σύστημα των φρένων (σε πραγματικό χρόνο) λαμβάνοντας δεδομένα από αισθητήρες. Ο τομέας της μηχατρονικής εξαπλώνεται διαρκώς χάρη στους μικροεπεξεργαστές, στους εξελιγμένους αισθητήρες και στην αυστηρότερη νομοθεσία περί εκπομπής καυσαερίων των οχημάτων. Στο μέλλον, δίκτυα μικροσκοπικών ασύρματων αισθητήρων θα παρακολουθούν το περιβάλλον, τα μηχανήματα και τον άνθρωπο.
Η έρευνα στηρίζεται, προς το παρόν, στη δημιουργία «έξυπνου» λογισμικού, το οποίο θα επιτρέπει στους αισθητήρες να επικοινωνούν μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας τέτοιου είδους δίκτυα θα είναι δυνατή η παρακολούθηση σεισμών και η καταγραφή του μικροκλίματος σε εθνικούς δρυμούς ή προστατευμένες ορεινές περιοχές. Στόχος όλων των ερευνών είναι η ελαχιστοποίηση του μεγέθους τους, ώστε να εισχωρούν στην επιφάνεια του οδοστρώματος, σε κατασκευαστικά υλικά, σε υφάσματα και στο ανθρώπινο σώμα. Ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών αισθητήρων συναντάμε, σήμερα, στον τομέα της ασφάλειας κτηρίων και οικοδομών, καθώς επίσης και στην επιτήρηση οικιακών συσκευών. Από την προστασία χώρων με υπέρυθρες ακτίνες μέχρι τη λειτουργία του θερμοστάτη στο θερμοσίφωνα ή την καφετιέρα.
Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στην Ιατρική και ειδικότερα στον κλάδο της πρόληψης. Μία απλή, σε διαδικασία, ανάλυση αίματος μπορεί να γίνει με τη βοήθεια αισθητήρων στο σπίτι του ασθενή. Οι αναλύσεις μεταφράζονται σε δεδομένα, τα οποία είτε ο ίδιος ο ασθενής μπορεί μόνος του να αξιολογήσει είτε στέλνονται ηλεκτρονικά στο συνδεδεμένο με το διαδίκτυο νοσοκομείο ή κέντρο υγείας, το οποίο αποφασίζει για τη θεραπεία που θα ακολουθήσει ο ασθενής. Οποιοσδήποτε μπορεί επομένως να αντιληφθεί, πόσο χρήσιμη θα ήταν αυτή η μέθοδος π.χ. στους διαβητικούς ή σε άλλες κατηγορίες ασθενών, που χρήζουν συνεχούς παρακολούθησης.
Επίλογος
Οι Οπτικές Τεχνολογίες βρίσκονται σήμερα στο επίκεντρο του επιστημονικού και τεχνολογικού ενδιαφέροντος. Οπτικές επικοινωνίες, ιατρικές εφαρμογές, μελέτες του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος και θέματα ενεργειακής πολιτικής θα απασχολήσουν την κοινωνία μας τις επόμενες δεκαετίες. Εδώ ανοίγει ένα μεγάλο κεφάλαιο που υπόσχεται τη δημιουργία νέων «φωτονικών» επαγγελμάτων, με ένα ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων. Αυτές οι δραστηριότητες θα εκτείνονται από το μηχανικό των συστημάτων εφαρμογής και εκείνον της επεξεργασίας εικόνας μέχρι το θεωρητικό επιστήμονα και θα έχει αφετηρία το ίδιο το φωτόνιο.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου