Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые ИТМО разрабатывают лазерную «кисть», которой можно будет рисовать по металлу без краски

Художник сможет использовать более двадцати цветов и оттенков. При этом можно не бояться неудачных линий и цветов — их легко можно будет стереть или нарисовать заново без риска испортить картину. Первый прототип лазерной кисти должен увидеть свет уже к концу лета. Пока же исследователи опубликовали статью, описывающую саму технологию лазерного рисования цветных миниатюр на поверхности металла.

Чтобы нанести цветное изображение на лист металла, вовсе не обязательно иметь под рукой краски или ядовитые химикаты. Цветную маркировку на поверхности можно сделать с помощью лазера — такими технологиями занимаются ученые в нескольких научных центрах мира, в том числе их разрабатывают и совершенствуют в Университете ИТМО.

Достижения науки уже используют производители всевозможных товаров, нанося с помощью лазера свои логотипы, штрих-коды, товарные знаки. До сих пор так «рисовали» по металлу лишь роботы, которыми управлял компьютерный алгоритм. Однако недавно ученые ИТМО решили создать устройство, которое позволит художникам использовать лазерное окрашивание для создания произведений искусства.

«При всем моем глубочайшем уважении к программируемым промышленным процессам у меня в мозгу всегда бродит идея свободы, — вспоминает о том, как родилась эта идея соавтор и идейный вдохновитель работы профессор факультета фотоники Вадим Вейко. — Я спросил себя, а почему мы должны ограничивать себя рамками программируемой записи? У нас есть лазер, который при взаимодействии с металлом может «извлекать» цвет, у человека есть воображение, и если мы сделаем ручную конструкцию — что-то вроде кисти, то художник сможет рисовать то, на что его вдохновляет муза». 

Вадим Вейко

Рисунки «из воздуха»

Так появилась идея лазерной кисти, которой художник мог бы рисовать по листу металла, как карандашом по бумаге. При этом принципы появления красочного изображения остаются теми же, что и в промышленных технологиях.

«С помощью лазерного импульса мы нагреваем поверхность металла примерно ниже температуры плавления, — рассказывает соавтор работы, инженер-исследователь международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем Университета ИТМО Ярослава Андреева. — В результате на поверхности в зоне облучения сфокусированным пучком лазера образуется очень тонкая пленка оксида металла. Как и в любой очень тонкой пленке, в ней возникают интерференционные эффекты, и она отражает определенные области спектра по-разному, поэтому глазом мы можем увидеть разные цвета. Похожие интерференционные цвета мы видим в мыльных пузырях или нефтяных пятнах на лужах».      

Ярослава Андреева. Фото из личного архива

Однако существовала важная проблема. Правильно составленная компьютерная программа не ошибается, у станка не дрогнет манипулятор. Наконец, когда речь идет о заводском логотипе, нет необходимости вдруг поменять уже отпечатанные цвета. Художнику же может понадобиться изменить форму нарисованного узора или сменить цвет детали на картине. 

Изображения, сделанные на металлической пластине с помощью лазерной технологии

Сделать это при существующих технологиях довольно сложно: нужно использовать вредные химикаты, обработку в условиях вакуума или в среде с инертным газом. Поэтому ученым предстояло решить важный вопрос — как найти простой и удобный способ исправить ошибку, допущенную на металлическом «холсте».       

Кисть со встроенным ластиком

Чтобы добиться этого, ученые решили пересмотреть традиционную технологию цветной лазерной маркировки. Если для получения цвета в предыдущих работах лазер нагревал поверхность металла только до температуры плавления, то теперь у исследователей возникла идея достичь температуры испарения. Тогда уже образовавшаяся на предыдущих этапах нанесения цветного рисунка пленка будет испаряться, а вот на стадии остывания, пока металл будет охлаждаться, на ее месте появится новый оксид другой толщины, а значит и другого цвета.

«Традиционно считалось, что металл лучше не испарять, так как цветная пленка при этом удаляется, — рассказывает Ярослава Андреева, — но мы подумали, а почему бы и нет? Ведь пленка образуется при температурах ниже плавления, и не так важно, как мы ее достигнем — нагревая холодный металл или остужая еще более горячий. Как это работает? Например, художник нанёс элемент красным цветом, но потом передумал и решил, что эта деталь должна стать желтой. Чтобы исправить цвет, нужно ещё раз «пройти» лазерным пучком по той же области, но уже с другой скоростью, прежний цветной слой при этом будет удален, а в процессе остывания образуется другой цвет – жёлтый. Если и он не отвечает задумке художника, повторяем процедуру и получаем синий цвет».

Команда разработки

Цвет зависит от того, с какой скоростью лазер перемещается относительно поверхности металла и, соответственно, как быстро после этого поверхность остынет. Следовательно, чем быстрее остывает металл, тем меньше времени на то, чтобы сформировать оксидную пленку, поэтому она окажется тоньше. В зависимости от толщины такой пленки, свет будет в ней проходить разный путь и на выходе определенные части спектра интерферируют (или, говоря простым языком, сольются), и мы увидим усиленный «сигнал» определенного цвета.  С увеличением толщины мы получим последовательное изменение цвета от светло-желтого к красному, фиолетовому, тёмно-синему и голубому.

Более двадцати цветов и оттенков

Ученые показали, что такую палитру цветов можно расширить благодаря вариативности и точности параметров лазера.  При этом технология позволяет оперировать двумя десятками цветов и оттенков. Чтобы показать разнообразие палитры, которую дает такой «горячий» способ нанесения рисунка, ученые сделали репродукции картин Ван Гога «Звездная ночь» и «Автопортрет». Правда сделал их пока не человек, а программируемая автоматизированная лазерная установка.

Программируемая автоматизированная лазерная установка

Само устройство для лазерного рисования, или, как ее назвали авторы работы, лазерную кисть, пока только предстоит создать. Она будет представлять из себя удобный девайс, наподобие ручки, подключенный с помощью оптоволоконного кабеля к источнику лазерного излучения. Чертежи этой разработки готовы, а первый прототип планируется создать уже к концу лета.

Интерес к нему проявляют не только ученые, но и представители искусства. Так, художественная галерея общественного пространства Севкабель-Порт предложила ученым провести выставку работ, нарисованных такой кистью, когда прототип будет готов и его передадут художникам на испытания.

Репродукции картин Ван Гога «Звездная ночь» и «Автопортрет». Иллюстрация из статьи. Источник: osapublishing.org

Также в ходе обсуждения работы у ученых возникла еще одна идея о научном использовании этого устройства. «Мы обсуждали нашу работу с ректором ИТМО Владимиром Васильевым и высказали мысль о том, что освоить приемы такого рисования будет не просто, так как сначала ему должен обучиться наш мозг, и он предложил подключить к этому прибору искусственный интеллект. Алгоритм будет обучаться прямо в процессе рисования живым художником. Это может дать возможность лучше понять принципы и методы машинного обучения. Алгоритм будет обучаться в процессе создания полотна», — заключает Вадим Вейко. 

Vadim P. Veiko, Yaroslava Andreeva, Luong Van Cuong, Daria Lutoshina, Dmitry Polyakov, Dmitry Sinev, Vladimir Mikhailovskii, Yury R. Kolobov, and Galina Odintsova. Laser paintbrush as a tool for modern art.  Optica, 2021/10.1364/OPTICA.420074