Видеть благодаря звуку: как создаются трехмерные изображения при помощи ультразвуковых волн
Чтобы опробовать визуальные технологии будущего иногда бывает полезно немного пошуметь. Исследователи использовали акустические волны для получения левитирующих трехмерных изображений, создания звукового сопровождения и даже ощущения прикосновения.
Начиная с 1940-х годов ученые используют физический эффект под названием акустическая левитация. Его суть заключается в использовании колебаний звуковой волны для захвата и удержания крошечных объектов в воздухе. За последнее десятилетие технология приобрела большие возможности, позволяя акустическим системам отталкивать и притягивать мелкие частицы, создавая эффект тягового луча.
Исследователи считают, что эта технология может использоваться в огромном количестве областей: например, с ее помощью можно смешивать или сортировать частицы порошка, проводить небольшие химические реакций в изоляции, реализовать новые методы трехмерной печати или даже создавать дисплеи, которые были бы видны под любым углом.
Такой тип дисплея называется объемным: в отличие от голографической технологии, он может создавать изображения, не требуя при этом экрана, и такие 3D-картинки можно рассматривать со всех сторон. Представьте себе это как сообщение от принцессы Леи в Звездных войнах, которое R2-D2 показал Люку, говорит соавтор нового исследования Рюдзи Хираяма, научный сотрудник Университета Сассекса в Англии.
Хираяма и его коллеги создали свои собственные плавающие изображения с помощью системы, которую они называют мультимодальным дисплеем с акустической ловушкой (multimodal acoustic trap display, MATD). Изображения создаются между двумя горизонтальными пластинами, которые усеяны маленькими динамиками (всего их 512).
Эти динамики излучают звуковые волны в ультразвуковом диапазоне — слишком высоком, чтобы человеческое ухо могло его уловить. Волны создают колебания в воздухе, которые манипулируют пластиковым шариком, немного меньшим по размерам, чем кунжутное семечко. Все действие происходит в воздушном кармане, имеющем форму куба со стороной около 10 сантиметров.
По мере того, как шарик летает по запрограммированным траекториям, исследователи по-разному освещают его. «Мы освещаем эту левитирующую частицу с помощью RGB-светодиодов — красного, зеленого, синего — чтобы в итоге получать любой нужный нам цвет», — говорит Хираяма. Благодаря высокой скорости — частица может перемещаться по вертикали со скоростью почти девять метров в секунду и по горизонтали со скоростью почти четыре метра в секунду — светящаяся точка обманывает человеческий глаз, и мы воспринимаем ее движение как непрерывное изображение.
Это явление известно как инерция зрения. Если вы быстро водили лазерной указкой в темноте, то точно сталкивались с ней: после определенной скорости вы видели уже не яркую точку, а своеобразную линию.
Разумеется, это далеко не первая работа: другие исследователи также работали над визуальными дисплеями, использующими акустическую левитацию. Например, одна японская команда использовала большое количество мельчайших частиц в качестве своего рода мерцающего проекционного экрана. В статье, опубликованной в августе этого года в Applied Physics Letters, исследователи описали систему, аналогичную проекту ученых из Университета Сассекса.
Тем не менее, по словам соавтора августовского исследования Асиера Марзо, физика из Государственного университета Наварры в Испании, новая система ученых из Сассекса является более продвинутой, чем любые предыдущие попытки. «Их результаты намного лучше наших», — говорит Марзо. «В статье, которую мы опубликовали три месяца назад, наша частица не могла двигаться со скоростью даже один метр в секунду. А в новой статье они достигли скорости в девять метров в секунду. И именно поэтому я считаю, что их результаты потрясающие».
В дополнение к визуальным эффектам, система может также производить звуковой шум для создания звукового сопровождения. А ультразвуковые динамики также могут концентрировать колебания в одном месте так, что палец может почувствовать ощущение отталкивания — это будет похоже на то, что картинка, созданная плавающим шариком, действительно существует. Причем, в отличие от «грубой» вибрации наших смартфонов, ультразвуковые волны могут работать более «нежно», создавая схожесть с различными типами поверхности.
«Мы создали 3D-дисплей, который можно видеть и касаться», — говорит Хираяма. «В этой статье мы объединяем эти три модальности: мы используем ультразвук, но мы можем создавать визуальный, тактильный и звуковой контент одновременно». С помощью этого трехстороннего подхода можно, например, создать мигающий и звонящий левитирующий будильник, который может быть остановлен прикосновением пальца.
И будильник едва ли останется единственным потенциальным применением. «Дисплей без экрана удивительно универсален и полезен», — говорит Даниэль Смолли, доцент кафедры вычислительной техники в Университете имени Бригама Янга, который рецензировал статью для журнала Nature, но не участвовал в исследовании. «Это означает, что все в комнате могут видеть изображение — вне зависимости от перспективы и местоположение — и это чрезвычайно полезно».
Как система связи, такой дисплей может однажды позволить пользователям общаться в чате с трехмерной проекцией человека, которая будет естественно выглядеть со всех сторон. Хираяма также предлагает использовать эту технологию для визуализации данных в воздухе. Например, отмечает Смолли, трехмерное изображение спутников, окружающих Землю, даст более интуитивное представление о том, как распределяется космический мусор и как астронавты на МКС могут его избежать.
Хотя для создания объемных дисплеев использовались различные методы, Смолли считает, что акустическая левитация дает самые многообещающие результаты. «Этот конкретный дисплей интересен тем, что он намного ближе к коммерциализации, чем другие типы объемных дисплеев в открытом пространстве», — говорит он. «Ученые используют готовые компоненты, и они продемонстрировали, что это не слишком сложно. У меня сложилось впечатление, что такой проект не сможет использовать инерцию зрения из-за низких скоростей, но они показали своей работой, что это не так».
Однако, прежде чем вы сможете установить такой дисплей в своей гостиной, ученым над ним все еще придется хорошо попотеть. «Пока что это было сделано в исследовательской лаборатории», — отмечает Марзо. «Нам нужно сделать больше анализов, больше моделирований, чтобы понять, имеет ли смысл создавать реальный дисплей, который люди смогут использовать у себя дома». Текущая система может показывать только простую графику в режиме реального времени, такую как смайлик или цифра восемь. Более детальное изображение вращающегося шара можно получить лишь при съемке с помощью камеры с достаточно большой выдержкой.
Чтобы продемонстрировать более детальные визуальные эффекты, такие как график или трехмерная визуализация спутников вокруг Земли, необходимо заставить шарик летать со значительно большей скоростью. «Вы можете спросить, почему для работы дисплея так важна высокая скорость частицы», — говорит Марзо. «Причина в том, что именно скорость частицы определяет, насколько велика и сложна может быть графика, которую вы будете способны отобразить».
Тем не менее, Смолли с оптимизмом смотрит на потенциал этой технологии. Он предполагает, что если бы в системе была только одна покрытая динамиками поверхность вместо двух, она могла бы генерировать изображения, которые больше, чем само устройство. «Вы не можете создать телевизионное изображение, которое больше телевизора», — говорит он, «но здесь небольшая коробка позволит вам получать картинки, существенно больше ее самой».
Также будущие дисплеи могут использовать более мощные динамики для создания больших анимаций с использованием нескольких шариков одновременно. По словам ведущего исследователя нового проекта Шрирама Субраманиана, существующее компьютерное программное обеспечение может быть использовано для того, чтобы крошечные шарики не врезались друг в друга, хотя освещение сразу нескольких танцующих шариков в воздухе — еще одна проблема. Но, кто знает: вполне может быть, что голограмма Леи из Звездных воин через несколько лет станет реальной.