让3D图像能听还能摸：《自然》发表新型3D投影技术
以后给家人打电话的时候或许就能摸到对方了？
撰文 秦达然
编辑 魏潇
“科研圈”报道·keyanquan·
试想一下在空中翩跹飞舞的彩色蝴蝶，当你伸出手触碰它时，能感受到它在振翅。再试想一下一个笑脸浮现于空中，与此同时在你耳畔响起皇后乐队的经典摇滚乐”We Will Rock You”。近期，来自英国萨塞克斯大学（University of Sussex）和来自日本东京理科大学（Tokyo University of Science）的研究者在《自然》（Nature）发表的一项研究，使得这些犹如魔术一般的场景成为可能。
图1 这只飘浮在空中的蝴蝶是利用单个颗粒通过立体悬浮投影技术产生的。这张图片来自于2018年1月《自然》杂志发表的一篇相似研究。该研究是美国杨百翰大学（Brigham Young University）的物理学家 Daniel Smalley 团队做出的，使用的是激光照射纤维素颗粒。图片来源：
https://www.nature.com/articles/d41586-018-01125-y
该研究展现了科幻片里常见的立体悬浮投影技术的最新研究进展。无需借助其他仪器或设备的帮助，观察者即可从任意角度观察悬浮在空中的 3D 图像。研究者展示了一个多模态的声场投影（multimodal acoustic trap display，MATD）。这一系统基于一种名为“声镊”（acoustic tweezers）的方式，即使用超声波捕获颗粒。研究人员利用超声波使颗粒（研究中使用的是直径为 1 毫米的白色聚苯乙烯颗粒）在声场中悬浮并快速振动，同时使用红色、绿色、蓝色的光（实验中使用的是发光二极管）照射颗粒。通过调节颗粒振动的速度和光的照射，可以在空中产生 3D 图像。当颗粒的转速和光的照射变化足够快的时候，观察者即可在视觉的作用下，在空中看到连续变化的 3D 图像。在产生图像的同时，调节声压可以使图像产生触感，而调节振幅则可以产生能被人耳听见的声音。
图2 MATD 系统的主要部分和产生图像的原理。图a: 绿色代表视觉刺激，红色代表触觉刺激，蓝色代表听觉信号。图(a)展示了这三种信号的输入。图片来源：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1739-5
图3 《星球大战》电影中莱娅公主（Princess Leia）的求救信息。这个求救信息是公主的 3D 微缩影像，并有公主的声音。
还记得《星球大战》系列电影中最初莱娅公主（Princess Leia）的求救信息吗？一些物理学家认为这项技术比任何其他已知的 3D 投影技术都更适合用于重现 1977 年星球大战电影里的这个画面，因为后者依然存在一些相应的限制——比如被广泛使用的全息投影技术（hologram）和虚拟现实技术（Virtual Reality）。全息投影技术通过干涉和衍射建立并重现物体的三维图像，因此只能从特定的角度对 3D 图像进行观察，并且生成的图像通常是静态的。虚拟现实技术是通过计算机技术模拟现实世界，需要借助特殊的穿戴设备才能看到 3D 影像。
与它们不同的是，这项新的技术可以创造“真正意义上的” 3D 投影。通过控制粒子在声场中的运动和照射的光，高分辨率的动态 3D 图像得以诞生，并且我们可以从任何角度观察这些图像。正如美国杨百翰大学（Brigham Young University）的物理学家 Daniel Smalley 所说，几十年来，立体悬浮投影一直受限于只能产生小的低分辨率的图像，而这项新的技术的出现有望打破僵局，为立体悬浮投影带来商业上应用的可能性，如远距离的 3D 视频通讯，或医疗救助。
这项研究是生成 3D 图像的技术领域里一项激动人心的突破性进展，但是我们仍然要意识到其目前存在的局限性。该研究在生成 3D 图像时，需要在两侧都放置扬声器，这会限制观察者与图像的交互行为，也会限制生成的 3D 图像的大小。与此同时，研究者们也在进一步探究颗粒受力后的运动情况，这有助于他们更好地控制颗粒、使其更快速地移动，以便生成更复杂的图像并更好地将图像与声音和触感结合。
正如本文作者在文章总结中提到的，这项技术创造性地在 3D 图像投影中实现了与图像同步的声音和触感，很大程度上提升了目前对颗粒的操控的能力，在计算机制造和生物医学领域有广泛的应用前景。在不远的将来，我们或许可以期待一个“可见且可触”的通讯世界。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03454-y
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参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1739-5
https://www.nature.com/articles/d41586-018-01125-y
https://www.nature.com/news/hologram-lite-idea-for-3d-phone-displays-1.12647
https://www.nature.com/articles/495316a
https://www.nature.com/articles/nature25176
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