出品：科普中國
制作：小球君
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
在很多科幻場景中， 我們常常看到未來人們通過使用立體顯示（volumetric display）來進行酷炫的新裝備開發(fā) 。 科幻世界里的人們通過立體顯示屏可以輕松地觀察物體的立體結(jié)構(gòu)， 通過滑動手指就可以分解或拼接組件， 系統(tǒng)也會相應產(chǎn)生電子感十足的音效， 讓現(xiàn)在的我們羨慕不已 。
近日， 自然雜志上的一篇文章介紹了一種叫做MATD（Multimodal acoustic trap display）的裝置， 使得這個夢想離現(xiàn)實又近了一步 。 其實人們?yōu)榱藙?chuàng)造立體顯示裝置嘗試了全息投影， 水蒸氣投影等各種方法， 但原有的立體顯示手段一般都是利用視覺殘留等光學手段， 能實現(xiàn)的僅僅是一種可以觀看的顯示器 。 而這一次的裝置通過同一種工作原理， 竟然產(chǎn)生了可看， 可觸， 可聽的“三位一體”的立體顯示效果 。
《超能陸戰(zhàn)隊》上的立體顯示
(圖片來源：電影《超能陸戰(zhàn)隊》)
“聲鑷”助陣， 使科幻變?yōu)楝F(xiàn)實
人們想象中的全息投影是可以在空氣中直接投射出影像， 但目前一般的全息投影技術(shù)是通過利用已經(jīng)采集到的物體的三維光學信息， 在一種能夠反映這些信息的介質(zhì)上進行放映 。 最簡單的全息投影采用了佩珀爾幻象原理——利用半透明半反光的玻璃使得三維圖像在玻璃上反射到人們眼中的同時， 真實的背景也可以透過玻璃， 產(chǎn)生圖像在真實背景中存在的假象 。
在可視層面上， 該裝置所采用的介質(zhì)與其他全息投影有所不同 。 通過“聲鑷”來控制一種輕盈的常見塑料-“發(fā)泡聚苯乙烯“的微粒懸浮在空中 。 該粒子是一種優(yōu)秀的反射材料， 可以達到觀察者角度無論如何都可以看到相同亮度的效果 。 再通過頂部的RGB照明系統(tǒng)， 產(chǎn)生可以從各種角度觀察的彩色的立體圖案， 也許在未來可以產(chǎn)生真正身臨其境的“3D體感電影” 。
工作原理示意圖 [圖片來源：參考文獻1]
那么“聲鑷”是什么？又是如何操縱這些粒子的呢？
首先我們必須要知道， 聲音的本質(zhì)是一種壓力波 。 在生活中， 撥動琴弦、大聲唱歌等都通過壓力波傳遞到耳朵里引起鼓膜振動的原理， 從而讓我們聽到悅耳或悠揚的聲音 。
而聲鑷就是對多個聲源產(chǎn)生的聲波進行精密的計算模擬， 從而使得聲波可以在空間中的某處產(chǎn)生一種類似“陷阱”的機制 。 微粒在“陷阱”中處于一種最穩(wěn)定的狀態(tài)， 一旦偏離原本位置， 就會有與運動方向相反的恢復力使其恢復原位 。 而通過移動“陷阱”位置， 便可以控制微粒發(fā)生相應的移動， 從而使得立體顯示器中的畫面發(fā)生變化 。 該裝置中微粒的最快速度大約是3m/s， 可以產(chǎn)生各種復雜的立體圖像效果 。
聲鑷示意圖 [圖片來源：參考文獻2]
聲鑷控制粒子構(gòu)成的自轉(zhuǎn)中的地球 [圖片來源：參考文獻1]
一“鑷”三用， 不僅可視還可觸可聽
在可觸層面上， 該裝置使用了一種更加巧妙的方式 。 我們都知道聲音是以波動的形式進行傳播， 周期性重復的振動可以產(chǎn)生的聲波 。 而對于“聲鑷”所產(chǎn)生的聲波的一個周期中產(chǎn)生壓力的工作周期， 其75%的部分用于進行微粒的位置與運動的控制， 而剩余的25%的部分用來進行觸覺的形成 。 聲波的頻率選擇了250Hz， 避免了人類聽覺的敏感范圍（2kHZ-5kHz）,以便降低噪聲， 但有在皮膚能感知的最佳范圍之內(nèi) 。
也許有人會疑問皮膚怎么會感受到聲音？其實如果我們與演唱會的音響或者施工工地里面的打樁機有過近距離接觸的話， 就能知道， 人體的皮膚是可以感受到振動波的壓力的 。 這是因為人體表皮有一種可以感受觸覺的圓形小體， 它們可以感受到幾十到幾百赫茲的振動[5] 。
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