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。科幻世界里的人們通過立體顯示屏可以輕松的觀察物體的立體結構，通過滑動手指就可以分解或拼接組件，系統也會相應產生電子感十足的音效，讓現在的我們羨慕不已。

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，使得這個夢想離現實又近了一步。其實人們為了創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，竟然產生了可看，可觸，可聽的“三位一體”的立體顯示效果。

 《超能陸戰隊》上的立體顯示(圖片來源：電影《超能陸戰隊》)

 

 

“聲鑷”助陣，使科幻變為現實

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是通過利用已經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-“發泡聚苯乙烯“的微粒懸浮在空中。該粒子是一種優秀的反射材料，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，產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生一種類似“陷阱”的機制。微粒在“陷阱”中處于一種最穩定的狀態，一旦偏離原本位置，就會有與運動方向相反的恢復力使其回復原位。而通過移動“陷阱”位置，便可以控制微粒發生相應的移動，從而使得立體顯示器中的畫面發生變化。該裝置中微粒的最快速度大約是3m/s，可以產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]

 


聲鑷控制粒子構成的自轉中的地球 [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生的聲波。而對于“聲鑷”所產生的聲波的一個周期中產生壓力的工作周期，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。

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]。

通過判斷人手指的位置以及觀測目標的位置，該裝置可以產生一種高精度的觸覺壓力反饋，讓人產生在觸摸觀測微粒的感覺。如果該技術逐步成熟的話，增加通過感受手指的不同動作而圖像進行相應變化的裝置，也許動動手指就可以直觀地分析三維的裝置，進行房屋的設計，觀察人體的器官的未來不是夢想。



可觸測試 [圖片來源：參考文獻1]

 

在可聽層面上，“聲鑷”本身的頻率是超出人耳識別范圍的，所以不用擔心使用的時候產生噪音。而該裝置通過對我們大部分聽覺頻率范圍進行編碼，使得“聲鑷”本身產生了人耳可以聽見的聲音。其中就包括了上述中捕獲微粒產生的向各個方向的傳播的聲音，和因為用戶觸碰而產生向用戶方向傳播的聲音。也許我們可以利用這種原理創造出盲人也可以通過聲音的不同而操作的“顯示器”。

 

科技發展，讓人類一步步走進“科幻世界”

這就是基于“聲鑷”技術的可看，可觸，可聽的“三位一體”的立體顯示裝置的工作原理。現在“聲鑷”技術也有著很大的應用潛力。與2018年諾貝爾物理學獎的“光鑷”類似，它也是通過能量最低的“陷阱”控制微粒。像鑷子一樣精準的同時，這種裝置使用的“聲鑷”能量更低，對細胞影響更小，可以控制細胞按照設定的方式的接觸，所以在細胞信息傳遞領域也有著極大的應用前景。



聲鑷控制微粒運動 [圖片來源：參考文獻4]

 

論文中的這種裝置脫離了傳統顯示器需要顯示屏的束縛，僅僅使用了一種工作原理，就給人以三種感官上的體驗，使人感到科幻電影中的世界似乎近在咫尺，令人激動。

也許在這種三位一體的立體顯示技術已經成熟的未來，遠方的親人可以看見并觸碰到彼此，學生可以親自觀察并操作分子的結合，盲人也可以隨心所欲進行藝術創作。在科學家們的不斷努力下，過去的人的幻想正在逐步成為現實。

 

[參考文獻]

[1] Hirayama R, Plasencia D.M., Masuda N, et al. A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping.

[2] https://www.interaliamag.org/emerging-ideas/asier-marzo/attachment/acoustic-tweezers/

[3] Shi J, Ahmed D, Mao X, et al. Acoustic tweezers: patterning cells and microparticles using standing surface acoustic waves (SSAW)[J]. Lab on a Chip, 2009, 9(20): 2890-2895.

[4] Courtney C R P, Demore C E M, Wu H, et al. Independent trapping and manipulation of microparticles using dexterous acoustic tweezers[J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(15): 154103.

[5] 楊宜謙. 人體全身振動的感知閾值[J]. 土木建筑與環境工程, 2012 (S2): 54-60.

可看，可觸，可聽的顯示器了解一下

圖文簡介

摘要：可看，可觸，可聽的“三位一體”立體顯示如何實現？