為了將視覺技術推向未來，有時發出一點聲音會有所幫助。研究人員利用聲波產生懸浮的三維影像，創造觸控感，甚至提供音軌。
自 20 世紀 40 年代以來，科學家們一直在研究聲懸浮的概念，即利用聲波振動將微小物體捕獲在半空中。這項技術在過去十年中獲得了更強大的能力，使聲學系統能夠像聲波牽引光束一樣推動和拉動微小顆粒。一些研究人員認為，這種改進可能帶來多種應用，例如混合或分選粉末顆粒、在隔離狀態下進行小型化學反應、促進新型 3D 列印方法，或者建立可以從任何角度觀看的顯示器。
快速移動的點可以欺騙人眼看到數字 8 或笑臉。圖片來源：Eimontas Jankauskis，薩塞克斯大學
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這種型別的顯示器稱為體顯示器：與全息技術不同，它可以建立影像而無需螢幕，並且可以從各個側面觀看。可以把它想象成 R2-D2 在一部非常著名的電影中從萊婭公主那裡攜帶的資訊。“我喜歡《星球大戰》的東西，”研究合著者、英國薩塞克斯大學的研究員平山隆二說。平山和他的同事們用他們稱之為多模態聲阱顯示器（MATD）的系統製作了自己的漂浮影像。它看起來像一個 10 釐米的盒子，側面敞開，頂部和底部由微型揚聲器陣列（總共 512 個）組成。這些揚聲器發出超聲波範圍內的聲波模式——人耳聽不到的頻率——這會在空氣中產生振動，從而操縱一個略小於芝麻的塑膠球體。
當珠子按照程式設計模式飛行時，研究人員將變化的顏色投射到它上面。“我們使用 RGB LED——紅、綠、藍——照亮懸浮的粒子，這樣我們就可以控制散射光的顏色，”平山說。由於它的高速——粒子可以垂直方向以接近每秒 9 米的速度和水平方向以接近每秒 4 米的速度快速移動——發光點欺騙人眼感知到連續的影像。這種現象被稱為視覺暫留。同樣的原理也使得在 7 月 4 日經常看到的視覺技巧成為可能，當人們在夜空中移動煙花時，煙花的發光頭部似乎會描繪出金色的輪廓。這種新型體顯示技術於週三在《自然》雜誌上報道。
為了捕捉更復雜的圖形，研究人員使用 20 秒的相機快門速度拍攝了他們的顯示器。圖片來源：Eimontas Jankauskis，薩塞克斯大學
其他研究人員也致力於使用聲懸浮的視覺顯示器：一個日本團隊使用大量微小顆粒作為一種閃爍的投影螢幕。在今年 8 月發表在《應用物理快報》上的一篇論文中，研究人員描述了一個類似於薩塞克斯大學專案的系統。然而，根據 8 月份研究的合著者——西班牙納瓦拉公立大學的研究員阿西爾·馬佐的說法，薩塞克斯大學的新系統比以前的任何嘗試都更先進。“他們的結果比我們的好得多，”馬佐說。“在我們三個月前發表的論文中，我們的粒子速度甚至不到每秒一米。而在薩塞克斯大學的這個小組釋出的新論文中，我認為他們可以達到每秒 9 米的速度。這就是為什麼我認為結果令人驚歎。”
除了視覺效果外，該系統還可以產生可聽噪聲，為顯示器提供音軌。超聲波揚聲器還可以將振動集中在一個點上，這樣手指可能會感覺到一種向後推的感覺——有點像漂浮影像描繪的物體真的在那裡。“我們創造了一種我們可以看到和觸控的 3D 顯示器，”平山說。“在本文中，我們結合了這三種模式：我們正在使用超聲波，但我們可以同時建立視覺、觸覺和音訊內容。” 這種三管齊下的方法可以例如顯示一個閃爍和鳴叫的警報，可以透過觸控手指來重置它。
鬧鐘絕不是唯一的潛在應用。“無螢幕顯示器非常通用且有用，”楊百翰大學電氣和計算機工程副教授丹尼爾·斯莫利說，他為《自然》雜誌審閱了薩塞克斯大學的論文，但沒有參與這項研究。“這意味著房間裡的每個人都可以看到影像——任何角度、位置——這非常有幫助。” 作為一種通訊系統，這種顯示器有一天可能允許使用者與一個人的 3D 投影聊天，這個人可以轉動頭部跟隨他們在房間裡走動。平山還建議，該技術可以用於視覺化空中的資料。例如，斯莫利指出，地球周圍衛星的 3D 檢視可以更直觀地瞭解太空垃圾是如何分佈的以及宇航員如何避開它。
儘管已經使用了多種技術來生產體顯示器，但斯莫利認為聲懸浮顯示出前景。“這種特殊的顯示器很有趣，因為它比其他型別的自由空間體顯示器更接近商業化，”他說。“他們使用現成的元件，並且他們已經證明它不是太慣性的。我的印象是，該策略對於以視覺暫留速率工作來說會過於慣性——他們已經在這篇論文中證明，事實並非如此。”
然而，在您可以將顯示器安裝在客廳之前，還需要做更多的工作。“到目前為止，這都是在研究實驗室完成的，”馬佐指出。“我認為我們需要更努力地推進它。我們需要進行更多的分析、更多的模擬，看看建立一個人們可以在家使用的真實顯示器是否有意義。” 目前的系統只能即時顯示簡單的圖形，例如笑臉或數字 8（儘管當使用具有慢快門速度的相機拍攝時，它可以生成更詳細的旋轉地球影像）。為了演示更詳細的視覺效果——例如圖表或地球周圍衛星的 3D 視覺化——它需要以顯著更高的速度在顯示器周圍快速移動珠子。“您可能會問，為什麼讓粒子更快對顯示器有好處，”馬佐說。“那是因為粒子的速度決定了您可以顯示的圖形的大小和複雜程度。”
儘管如此，斯莫利對這種技術的潛力持樂觀態度。他建議，如果系統只有一個而不是兩個覆蓋揚聲器的表面，它可以生成比裝置本身更大的影像。“你不能製作比電視更大的電檢視像——即使是投影儀也必須有一個比影像本身更大的投影螢幕，”他說。但是使用體顯示器，一個小的行動式裝置可能會產生更大的影像。“你可以想象，在未來，手錶中會有體顯示器，例如，它可以建立從手錶中投射出來的大影像。” 或者可能從你的《星球大戰》機器人中投射出來。