操控懸浮粒子，空中三維成像，能聽能摸！Nature和Science報道，裸眼3D新可能

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在 1977 年上映的科幻經典《星球大戰》中，萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發出了三維版求救影像。

作為三維成像最初的靈感，直到40年后的今天，人類的3D成像依然遠沒有達到當年喬治·盧卡斯想象的效果——逼真、實時、裸眼，目前市面上常見的三維成像依然需要借助特定的硬件工具，比如VR眼鏡、或者在某個特定的角度才可以。

不過昨天，《自然》和《科學》同時在新聞版頭條報道的一項來自英國薩塞克斯大學的研究，有望讓科幻片中的裸眼3D變成現實。

新的研究采用了一種多模態聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD）：利用超聲波揚聲器引導微小的粒子，可以同時傳送視覺、聽覺和觸覺三種內容，并形成一個可以在空中改變形態的懸浮顯示器。

操控懸浮顆粒，空中成像，還能觸碰

半空中操控粒子變形態變換的背后其實是一個相對簡單的裝置，兩個由256個微型揚聲器組成的細長陣列通過超聲波來移動粒子。因為移動的速度過快，肉眼所見是幾厘米寬的不斷變化的3D圖像，在空中的展示效果就是一個快速變換的幾何圖形。

在報道中，主要研究員平山龍治（Ryuji Hirayama）通過幾個程序運行，就可以操作一系列懸浮顆粒，這些白色斑點可以跳躍起來，隨即靜止在空中。再次輕拍，斑點就變成了發光的蝴蝶形狀，在黑匣子中還在拍打翅膀。

丹尼爾·斯莫利實驗室里的“蝴蝶”

為了證明這不是魔術，平山在英國布萊頓蘇塞克斯大學的同事迭戈·馬丁內斯·普拉森西亞（Diego Martinez Plasencia）還將手伸到了盒子里。

《自然》稱，你甚至可以觸摸和聽到超聲波揚聲器引導微小的粒子產生震動和聲音。

更有趣的一點是，超聲波揚聲器不僅能產生圖像，還可以產生聲音和觸感。當你觸摸蝴蝶的時候，手指可能會感到顫抖。

在《自然》報道的另一個研究案例中，伴隨著皇后樂隊《We Will Rock You》的歌聲，空中出現了一張笑臉。

a. 用于測量顆粒的球形度和直徑的照相機裝置；b. 不同粒徑的最大線速度；c. 用不同的顆粒直徑產生的笑臉圖案。

值得注意的是，用于創建這些效果的大多數微粒都是現成的。在演示了所有的效果之后，平山切斷了電源，拍打著的蝴蝶和笑臉立刻消失了，形成它們的粒子在顯示器的底座上輕輕彈跳著。平山將這些粒子拾起，將其裝入盒子中，隨時準備在空氣中再度創造魔法。

追趕科幻的腳步：裸眼3D的新可能

“這令人興奮。”楊百翰大學的物理學家丹尼爾·斯莫利（Daniel Smalley） 在接受《自然》雜志采訪時候說道，他去年也公布了一項類似的技術，利用激光繞過一小塊纖維素產生圖像。

斯莫利領導的電全息學小組致力于空間成像和全息投影領域的研究，Smalley表示，利用相同的粒子數和數據，他們團隊的圖像尺寸僅是薩塞克斯大學研究團隊的十分之一，但分辨率要高 10 倍左右。

他還說道，目前為止，很少有物理學家相信可以利用聲音使粒子高速移動產生這樣的效果。今年8月，英國布里斯托爾大學的物理學家福島達樹（Tatsuki fusimi）和合作者第一次證明了這種方法的可行性。但是他們的粒子需要更長的時間描繪形狀，這意味著只有直徑小于1厘米的圖像才能看上去像單個連續的物體。

斯莫利說，蘇塞克斯團隊的工作讓他們相信，這些“不可能”的事情正在發生。

11月13日Nature上介紹的聲學裝置被視為容積顯示的3D圖像生成技術的最新例子，該技術與全息圖、虛擬現實和立體鏡等技術有著根本的不同。這些更為熟悉的方法使用的是光學相關知識創造出深度錯覺，對象可以是真人大小也可以是真實照片。

但是全息圖只能從特定角度看到，虛擬現實和立體鏡需要戴上相關設備，相同之處大概是，長時間地利用這些技術進行觀看，都將導致眼睛疲勞。

相比之下，自由空間體積顯示器（Free-space volumetric displays）利用的是激光、電場、霧投影等方法，產生的是真正的3D圖像，觀眾可以從任何有利位置看到。如此看來，這或許是最接近于1977年電影《星球大戰》中萊婭公主發出求救時使用的成像方式。

事實上，對空間體積顯示器的研究歷史比《星球大戰》要早得多。

相比較于全息圖而言，空間體積顯示器有一個很大的優勢，需要的計算能力要少很多。斯莫利說，盡管經過了幾十年努力，自由空間體積顯示器仍然局限于小而糙的圖紙上，而且它們很難在商業上起步。

盡管如此，他仍然希望把包括聲懸浮在內的更為實用的技術進行結合，這也有助于空間體積顯示器的落地商用，它既可以被用于實習醫生詳細的交互式模型中，也可以使人們能夠與以3方式呈現的遠親進行聊天。

薩塞克斯團隊的聲學方法或許用不了很長時間就能走出實驗室，斯莫利說， “我敢打賭，這項技術的商業化進度會快于我們研究的許多其它技術。”

燈光和聲音的魔術

市面上已有的三維顯示器通常是通過制作2D圖像和3D圖像來工作。例如，Voxon VX1可以將光子投射到到屏幕上，屏幕上的光子上下快速振動。

2006年，日本川崎Burton公司的首席執行官木村秀井首次嘗試將圖像直接繪制到三維空間上。木村秀井和合作者們開發了一項技術，該技術利用激光將電子從空氣分子上擊落，使其發光。通過高速移動激光的焦點，他們可以制造出發光的等離子體，形成一個粗糙的圖像。

木村說：“不需要任何東西，我們可以直接在空中創建3D圖像。”他設想使用這種技術廣播緊急信息，或者在體育賽事的球場上方投射3D用以重播回顧。

日本筑波大學的計算機科學家和藝術家奧奇一（Yoichi Ochiai）說，等離子體技術產生相對穩定的圖像，但是它也有一些限制，比如分辨率低，一次激光沖擊等于圖像中的一個點，而且激光強度太大，可能會有燒傷的風險。

2016年，奧奇一的研究小組采用了等離子體技術，實現了利用低能量、短脈沖的激光制作能夠安全接觸的圖像。

由于直徑只有幾毫米，產生的圖像比木村小組的要小得多。但是通過使用頻率更高的激光和調制器將光束形成多個焦點，團隊可以將分辨率提高到木村團隊的10-200倍。如此，他們有能力創造更復雜的圖像，如針頭大小的仙女。

聲學3D顯示器的靈感來自于20世紀60年代的電視連續劇《星際迷航》。受到電視劇中牽引光束的啟發，在2012年，研究小組負責人斯里拉姆·薩勃拉曼尼亞（Sriram Subramanian）開創了利用聲波制造高壓點的先河，這些高壓點可以捕捉和移動小物體。

但直到2018年平山的到來，研究小組才找到了利用聲音創造圖像的方法。

立體顯示器中的地球儀。這張照片的曝光時間為0.025-20秒，只有在0.1秒內繪制的圖像在人眼看來才是連續的。

為了呈現實體照片，一個粒子需要在不到0.1秒的時間里創建每個圖像幀。到目前為止，聲懸浮一直傾向于盡可能保持物體的穩定狀態，從一個穩定點到另一個穩定點，運動以停止-開始的方式相對緩慢。

平山的創新之處在于讓粒子在靜止前分開它們，然后使用專門為計算而設計的硬件來計算每一個新的目標點。這意味著研究小組能夠以每秒鐘40,000次的頻率改變領域焦點。

平山說，當一個2毫米寬的粒子穿過幾厘米的空間時，速度可以達到每秒8.75米，看起來就像隱形傳送。而當粒子運動時，一個快速變化的LED會使其沐浴在光線中，從而產生顏色。

英國薩塞克斯大學的一個研究小組發明了一種可以在空中盤旋的虛擬蝴蝶。

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03454-y但蘇塞克斯技術有一個缺點，揚聲器被限制在了顯示器的兩側，這也限制了觀看者與顯示器互動的能力和尺寸大小。但是隨著硬件的升級，薩勃拉曼尼亞說，可以使用一種不同的聲波，使得揚聲器能僅在一側就能產生圖像。

研究人員還在努力提高他們對粒子如何對作用在其上的力作出反應的理解，這使得他們能夠更快移動粒子，通過同時懸浮多個粒子來繪制更復雜的圖像，并且更加緊密地整合視覺和觸覺。在目前的設置中，觸覺和圖像并不完全出現在完全相同的位置，因為創建它們所需的場可能會相互干擾。

奧奇一的團隊找到了一種方法，通過觸覺反饋的聲場和用于在等離子體中繪制微小圖像的激光結合觸覺和視覺，而且這兩個場互不干擾。目前研究小組已經用這種方法在空中畫出了盲點。

創造面對面的遠程臨場感

北京北京航空航天大學大學從事3D顯示設備的王瓊華表示：任何3D顯示器都會被拿來與《星球大戰》的全息圖相比較，這似乎已經成為了一個慣例。蘇塞克斯的技術使得圖像比以前的方法更大，還結合了聲音，這更接近于再現的效果，但是這些照片還遠遠達不到真實。

她說，要實現《星球大戰》中的全息效果，可能還需要十年甚至更長的時間。

但是英國德比大學專門研究3D技術的物理學家Barry Blundell告誡人們，“不應該試圖用懸浮體顯示技術來創造更豐富、更真實的圖像，就好比，沒人會把看雕塑和看繪畫相比較”。同時他補充道，“與全息圖像競爭只會讓該技術走向商業化的死胡同，這種顯示技術最好應用在其他媒體不可能呈現、同時又不需要大量細節的場景，例如用以顯示復雜的3D運動。”

斯莫利說，這一技術的交互感很具有啟發性。例如，正在接受培訓的外科醫生可能會使用這種顯示技術來模擬訓練。當有了一百萬個移動的粒子，“你就可以擁有一張無實體的臉，就能體會到面對面的遠程臨場感”。

他說，與虛擬現實相比，能在空間中創造人的化身，這樣的臨場感無疑是更強的。

在蘇塞克斯實驗室，要達到百萬粒子級別的的顯示似乎還有很長的路要走。該小組的方法是否可以達到如此效果，只有時間會證明。

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https://www.nature.com/articles/d41586-019-03454-y