用一顆粒子繪制出可聽、可看、可摸的“全息”蝴蝶

2022-02-15 07:26

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創 as center 科學藝術研究中心

文 Ivy

說起最早的全息術（Holography），大家腦海中可能會不約而同浮現出科幻經典巨作《星球大戰》中萊婭公主發出的求救片段。這部電影上映于1977年，在當時有限的技術條件下，它用想象力和古早特效為人類創造了一個神話世界。而全息影像（Holographic display）作為其中極為重要的一個概念，直到四十多年后的今天，人類也還在追求探索和實現完善這項技術。

萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發出求救全息影像，來源：《星球大戰》

你也許會有疑問，全息投影技術（Front-projected holographic display）不是很早就有了嗎？對于嚴格意義上的全息來講，空氣即為物體成像的介質。而現在我們日常所能接觸到的絕大部分“全息”，例如演唱會上已故歌手重回舞臺，其實是應用了我們過往公眾號文章中介紹過的佩珀爾幻象（Pepper’s Ghost）——這是一種“類全息投影技術”，需要借助全息膜、薄紗幕或霧氣等介質，并且人們在某個特定角度才可以觀測到影像，所以它只是一個平面而非真正的360度立體圖像。

鄧麗君在舞臺上的全息投影，來源：google

不過近期，《自然》和《科學》期刊同時在新聞版頭條報道了來自英國薩塞克斯大學（University of Sussex）研究人員介紹的一種多模態聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD），它有望讓科幻片中的全息影像變成現實。

MATD中的“全息”圖像，來源：mittrchina.com

MATD顯示設備并不復雜，只要敲擊一下鍵盤，就能讓一顆2mm寬的懸浮顆粒——聚苯乙烯珠子（泡沫球）煥發生機。研究員能操作白色的斑點使其跳躍起來，在空中懸停、盤旋；再點擊一下，小圓點就會在黑色的盒子里打轉形成一個發光的彩色蝴蝶，它甚至還會扇動翅膀。

MATD裝置結構，來源：youtube

蝴蝶在半空中變形和飛舞的背后，是一個相對簡單的裝置：在懸浮的顆粒上下有兩個由256個微型揚聲器組成的細長陣列，通過聲懸浮來完成對粒子的移動控制。LED發出的紅色、綠色和藍色光打在粒子上，將其高速移動所留下的軌跡映射出來，形成了我們肉眼所見的不斷演變的3D圖像。這便是之前公眾號文章（）中提到的“視覺暫留”現象——因顯示系統在垂直和水平方向上操控的粒子速度分別高達8.75m/s和3.75m/s，而其實際移動距離只有幾毫米到幾厘米，所以它的移動時間要遠遠小于我們視神經反應需要的時間（約1/16秒，且針對不同頻率的光反應時間會有一定差別），這個反應時長造成了視覺圖像在大腦中的滯后現象。

高速移動的粒子繪制出的倒計時與笑臉圖像，來源：youtube

蝴蝶和笑臉或其他圖案，就這樣在空中被直接繪制出來，像用高速蝕刻機進行素描一樣。

揚聲器陣又是如何靠聲音來控制微小粒子實體形成懸浮圖像的呢？聲懸浮（Acoustic levitation），是一種利用來自高強度聲波的聲輻射壓力，使物質在重力作用下懸浮在空氣中的方法。

我們都知道聲音是一種波，它在空氣中傳播，同水波在水中傳播類似。不過水波是橫波，其振動方向與傳播方向垂直；而聲波是縱波，其振動方向就在傳播方向上。聲波的連續振動使空氣分子不斷交替的壓縮和松弛，導致大氣壓迅速產生起伏，而處在聲場中的物體就會受到壓強差產生的力的影響。

駐波，來源：wikipedia

上圖中，紅色與藍色分別代表兩個完全相同但傳播方向相反的波，黑色波是它們合成的結果。把紅藍兩列波的波幅相加，就產生了一條仿佛駐立在原地不動的波，這也是“駐波（Standing wave）”名稱的由來。

仔細觀察可以發現，黑色駐波上紅點位置的聲波振幅永遠為零，所以理論上壓強也為零，這些地方叫作“波節”；而那些振幅最大的地方稱為“波腹”，兩個波節間的距離，正好是原來聲波波長的一半。用駐波來懸浮物體，就是當波腹處產生的高壓強把物體推向低壓強區（波節）的力場，與懸浮粒子/水珠自身的重力達到平衡時，就能夠使其停滯在空中。