科幻电影中的“立体显示操作界面”要成真了！

中国科学院半导体研究所

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在很多科幻场景中，我们常常看到未来人们通过使用立体显示（volumetric display）来进行酷炫的新装备开发。科幻世界里的人们通过立体显示屏可以轻松的观察物体的立体结构，通过滑动手指就可以分解或拼接组件，系统也会相应产生电子感十足的音效，让现在的我们羡慕不已。

近日，自然杂志上的一篇文章介绍了一种叫做MATD（Multimodal acoustic trap display）的装置，使得这个梦想离现实又近了一步。其实人们为了创造立体显示装置尝试了全息投影，水蒸气投影等各种方法，但原有的立体显示手段一般都是利用视觉残留等光学手段，能实现的仅仅是一种可以观看的显示器。而这一次的装置通过同一种工作原理，竟然产生了可看，可触，可听的“三位一体”的立体显示效果。

《超能陆战队》上的立体显示

(图片来源：电影《超能陆战队》)

Part.1

“声镊”助阵，使科幻变为现实

人们想象中的全息投影是可以在空气中直接投射出影像，但目前一般的全息投影技术是通过利用已经采集到的物体的三维光学信息，在一种能够反映这些信息的介质上进行放映。最简单的全息投影采用了佩珀尔幻象原理——利用半透明半反光的玻璃使得三维图像在玻璃上反射到人们眼中的同时，真实的背景也可以透过玻璃，产生图像在真实背景中存在的假象。

在可视层面上，该装置所采用的介质与其他全息投影有所不同。通过“声镊”来控制一种轻盈的常见塑料-“发泡聚苯乙烯“的微粒悬浮在空中。该粒子是一种优秀的反射材料，可以达到观察者角度无论如何都可以看到相同亮度的效果。再通过顶部的RGB照明系统，产生可以从各种角度观察的彩色的立体图案，也许在未来可以产生真正身临其境的“3D体感电影”。

工作原理示意图

[图片来源：参考文献1]

Part.2

那么“声镊”是什么？

又是如何操纵这些粒子的呢？

首先我们必须要知道，声音的本质是一种压力波。在生活中，拨动琴弦、大声唱歌等都通过压力波传递到耳朵里引起鼓膜振动的原理，从而让我们听到悦耳或悠扬的声音。

而声镊就是对多个声源产生的声波进行精密的计算模拟，从而使得声波可以在空间中的某处产生一种类似“陷阱”的机制。微粒在“陷阱”中处于一种最稳定的状态，一旦偏离原本位置，就会有与运动方向相反的恢复力使其回复原位。而通过移动“陷阱”位置，便可以控制微粒发生相应的移动，从而使得立体显示器中的画面发生变化。该装置中微粒的最快速度大约是3m/s，可以产生各种复杂的立体图像效果。

声镊示意图

[图片来源：参考文献2]

声镊控制粒子构成的自转中的地球

[图片来源：参考文献1]

Part.3

一“镊”三用，不仅可视还可触可听

在可触层面上，该装置使用了一种更加巧妙的方式。我们都知道声音是以波动的形式进行传播，周期性重复的振动可以产生的声波。而对于“声镊”所产生的声波的一个周期中产生压力的工作周期，其75%的部分用于进行微粒的位置与运动的控制，而剩余的25%的部分用来进行触觉的形成。声波的频率选择了250Hz，避免了人类听觉的敏感范围（2kHZ-5kHz）,以便降低噪声，但有在皮肤能感知的最佳范围之内。

也许有人会疑问皮肤怎么会感受到声音？其实如果我们与演唱会的音响或者施工工地里面的打桩机有过近距离接触的话，就能知道，人体的皮肤是可以感受到振动波的压力的。这是因为人体表皮有一种可以感受触觉的圆形小体，它们可以感受到几十到几百赫兹的振动[5]。

通过判断人手指的位置以及观测目标的位置，该装置可以产生一种高精度的触觉压力反馈，让人产生在触摸观测微粒的感觉。如果该技术逐步成熟的话，增加通过感受手指的不同动作而图像进行相应变化的装置，也许动动手指就可以直观地分析三维的装置，进行房屋的设计，观察人体的器官的未来不是梦想。

可触测试

[图片来源：参考文献1]

在可听层面上，“声镊”本身的频率是超出人耳识别范围的，所以不用担心使用的时候产生噪音。而该装置通过对我们大部分听觉频率范围进行编码，使得“声镊”本身产生了人耳可以听见的声音。其中就包括了上述中捕获微粒产生的向各个方向的传播的声音，和因为用户触碰而产生向用户方向传播的声音。也许我们可以利用这种原理创造出盲人也可以通过声音的不同而操作的“显示器”。

Part.4

科技发展，让人类一步步走进“科幻世界”

这就是基于“声镊”技术的可看，可触，可听的“三位一体”的立体显示装置的工作原理。现在“声镊”技术也有着很大的应用潜力。与2018年诺贝尔物理学奖的“光镊”类似，它也是通过能量最低的“陷阱”控制微粒。像镊子一样精准的同时，这种装置使用的“声镊”能量更低，对细胞影响更小，可以控制细胞按照设定的方式的接触，所以在细胞信息传递领域也有着极大的应用前景。

声镊控制微粒运动

[图片来源：参考文献4]

论文中的这种装置脱离了传统显示器需要显示屏的束缚，仅仅使用了一种工作原理，就给人以三种感官上的体验，使人感到科幻电影中的世界似乎近在咫尺，令人激动。

也许在这种三位一体的立体显示技术已经成熟的未来，远方的亲人可以看见并触碰到彼此，学生可以亲自观察并操作分子的结合，盲人也可以随心所欲进行艺术创作。在科学家们的不断努力下，过去的人的幻想正在逐步成为现实。

[参考文献]

[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] 杨宜谦. 人体全身振动的感知阈值[J]. 土木建筑与环境工程, 2012 (S2): 54-60.

出品：科普中国

制作：小球君

监制：中国科学院计算机网络信息中心

（本文中标明来源的图片已获得授权）

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编辑：二花

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