讓3D圖像能聽還能摸：《自然》發表新型3D投影技術
以後給家人打電話的時候或許就能摸到對方了？
撰文 秦達然
編輯 魏瀟
「科研圈」報道·keyanquan·
試想一下在空中翩躚飛舞的彩色蝴蝶，當你伸出手觸碰它時，能感受到它在振翅。再試想一下一個笑臉浮現於空中，與此同時在你耳畔響起皇后樂隊的經典搖滾樂」We Will Rock You」。近期，來自英國薩塞克斯大學（University of Sussex）和來自日本東京理科大學（Tokyo University of Science）的研究者在《自然》（Nature）發表的一項研究，使得這些猶如魔術一般的場景成為可能。
圖1 這隻飄浮在空中的蝴蝶是利用單個顆粒通過立體懸浮投影技術產生的。這張圖片來自於2018年1月《自然》雜誌發表的一篇相似研究。該研究是美國楊百翰大學（Brigham Young University）的物理學家 Daniel Smalley 團隊做出的，使用的是激光照射纖維素顆粒。圖片來源：
用聲波創造圖像
該研究展現了科幻片里常見的立體懸浮投影技術的最新研究進展。無需藉助其他儀器或設備的幫助，觀察者即可從任意角度觀察懸浮在空中的 3D 圖像。研究者展示了一個多模態的聲場投影（multimodal acoustic trap display，MATD）。這一系統基於一種名為「聲鑷」（acoustic tweezers）的方式，即使用超聲波捕獲顆粒。研究人員利用超聲波使顆粒（研究中使用的是直徑為 1 毫米的白色聚苯乙烯顆粒）在聲場中懸浮並快速振動，同時使用紅色、綠色、藍色的光（實驗中使用的是發光二極體）照射顆粒。通過調節顆粒振動的速度和光的照射，可以在空中產生 3D 圖像。當顆粒的轉速和光的照射變化足夠快的時候，觀察者即可在視覺的作用下，在空中看到連續變化的 3D 圖像。在產生圖像的同時，調節聲壓可以使圖像產生觸感，而調節振幅則可以產生能被人耳聽見的聲音。
圖2 MATD 系統的主要部分和產生圖像的原理。圖a: 綠色代表視覺刺激，紅色代表觸覺刺激，藍色代表聽覺信號。圖(a)展示了這三種信號的輸入。圖片來源：
更好的「3D」
圖3 《星球大戰》電影中萊婭公主（Princess Leia）的求救信息。這個求救信息是公主的 3D 微縮影像，並有公主的聲音。
還記得《星球大戰》系列電影中最初萊婭公主（Princess Leia）的求救信息嗎？一些物理學家認為這項技術比任何其他已知的 3D 投影技術都更適合用於重現 1977 年星球大戰電影里的這個畫面，因為後者依然存在一些相應的限制——比如被廣泛使用的全息投影技術（hologram）和虛擬現實技術（Virtual Reality）。全息投影技術通過干涉和衍射建立並重現物體的三維圖像，因此只能從特定的角度對 3D 圖像進行觀察，並且生成的圖像通常是靜態的。虛擬現實技術是通過計算機技術模擬現實世界，需要藉助特殊的穿戴設備才能看到 3D 影像。
與它們不同的是，這項新的技術可以創造「真正意義上的」 3D 投影。通過控制粒子在聲場中的運動和照射的光，高解析度的動態 3D 圖像得以誕生，並且我們可以從任何角度觀察這些圖像。正如美國楊百翰大學（Brigham Young University）的物理學家 Daniel Smalley 所說，幾十年來，立體懸浮投影一直受限於只能產生小的低解析度的圖像，而這項新的技術的出現有望打破僵局，為立體懸浮投影帶來商業上應用的可能性，如遠距離的 3D 視頻通訊，或醫療救助。
局限與未來
這項研究是生成 3D 圖像的技術領域裡一項激動人心的突破性進展，但是我們仍然要意識到其目前存在的局限性。該研究在生成 3D 圖像時，需要在兩側都放置揚聲器，這會限制觀察者與圖像的交互行為，也會限制生成的 3D 圖像的大小。與此同時，研究者們也在進一步探究顆粒受力後的運動情況，這有助於他們更好地控制顆粒、使其更快速地移動，以便生成更複雜的圖像並更好地將圖像與聲音和觸感結合。
正如本文作者在文章總結中提到的，這項技術創造性地在 3D 圖像投影中實現了與圖像同步的聲音和觸感，很大程度上提升了目前對顆粒的操控的能力，在計算機製造和生物醫學領域有廣泛的應用前景。在不遠的將來，我們或許可以期待一個「可見且可觸」的通訊世界。
論文鏈接：
參考資料：
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
