为了将视觉技术推向未来，有时发出一点声音会有所帮助。研究人员利用声波产生悬浮的三维图像，创造触摸感，甚至提供音轨。
自 20 世纪 40 年代以来，科学家们一直在研究声悬浮的概念，即利用声波振动将微小物体捕获在半空中。这项技术在过去十年中获得了更强大的能力，使声学系统能够像声波牵引光束一样推动和拉动微小颗粒。一些研究人员认为，这种改进可能带来多种应用，例如混合或分选粉末颗粒、在隔离状态下进行小型化学反应、促进新型 3D 打印方法，或者创建可以从任何角度观看的显示器。
快速移动的点可以欺骗人眼看到数字 8 或笑脸。图片来源：Eimontas Jankauskis，萨塞克斯大学
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这种类型的显示器称为体显示器：与全息技术不同，它可以创建图像而无需屏幕，并且可以从各个侧面观看。可以把它想象成 R2-D2 在一部非常著名的电影中从莱娅公主那里携带的信息。“我喜欢《星球大战》的东西，”研究合著者、英国萨塞克斯大学的研究员平山隆二说。平山和他的同事们用他们称之为多模态声阱显示器（MATD）的系统制作了自己的漂浮图像。它看起来像一个 10 厘米的盒子，侧面敞开，顶部和底部由微型扬声器阵列（总共 512 个）组成。这些扬声器发出超声波范围内的声波模式——人耳听不到的频率——这会在空气中产生振动，从而操纵一个略小于芝麻的塑料球体。
当珠子按照编程模式飞行时，研究人员将变化的颜色投射到它上面。“我们使用 RGB LED——红、绿、蓝——照亮悬浮的粒子，这样我们就可以控制散射光的颜色，”平山说。由于它的高速——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 米的速度快速移动——发光点欺骗人眼感知到连续的图像。这种现象被称为视觉暂留。同样的原理也使得在 7 月 4 日经常看到的视觉技巧成为可能，当人们在夜空中移动烟花时，烟花的发光头部似乎会描绘出金色的轮廓。这种新型体显示技术于周三在《自然》杂志上报道。
为了捕捉更复杂的图形，研究人员使用 20 秒的相机快门速度拍摄了他们的显示器。图片来源：Eimontas Jankauskis，萨塞克斯大学
其他研究人员也致力于使用声悬浮的视觉显示器：一个日本团队使用大量微小颗粒作为一种闪烁的投影屏幕。在今年 8 月发表在《应用物理快报》上的一篇论文中，研究人员描述了一个类似于萨塞克斯大学项目的系统。然而，根据 8 月份研究的合著者——西班牙纳瓦拉公立大学的研究员阿西尔·马佐的说法，萨塞克斯大学的新系统比以前的任何尝试都更先进。“他们的结果比我们的好得多，”马佐说。“在我们三个月前发表的论文中，我们的粒子速度甚至不到每秒一米。而在萨塞克斯大学的这个小组发布的新论文中，我认为他们可以达到每秒 9 米的速度。这就是为什么我认为结果令人惊叹。”
除了视觉效果外，该系统还可以产生可听噪声，为显示器提供音轨。超声波扬声器还可以将振动集中在一个点上，这样手指可能会感觉到一种向后推的感觉——有点像漂浮图像描绘的物体真的在那里。“我们创造了一种我们可以看到和触摸的 3D 显示器，”平山说。“在本文中，我们结合了这三种模式：我们正在使用超声波，但我们可以同时创建视觉、触觉和音频内容。” 这种三管齐下的方法可以例如显示一个闪烁和鸣叫的警报，可以通过触摸手指来重置它。
闹钟绝不是唯一的潜在应用。“无屏幕显示器非常通用且有用，”杨百翰大学电气和计算机工程副教授丹尼尔·斯莫利说，他为《自然》杂志审阅了萨塞克斯大学的论文，但没有参与这项研究。“这意味着房间里的每个人都可以看到图像——任何角度、位置——这非常有帮助。” 作为一种通信系统，这种显示器有一天可能允许用户与一个人的 3D 投影聊天，这个人可以转动头部跟随他们在房间里走动。平山还建议，该技术可以用于可视化空中的数据。例如，斯莫利指出，地球周围卫星的 3D 视图可以更直观地了解太空垃圾是如何分布的以及宇航员如何避开它。
尽管已经使用了多种技术来生产体显示器，但斯莫利认为声悬浮显示出前景。“这种特殊的显示器很有趣，因为它比其他类型的自由空间体显示器更接近商业化，”他说。“他们使用现成的组件，并且他们已经证明它不是太惯性的。我的印象是，该策略对于以视觉暂留速率工作来说会过于惯性——他们已经在这篇论文中证明，事实并非如此。”
然而，在您可以将显示器安装在客厅之前，还需要做更多的工作。“到目前为止，这都是在研究实验室完成的，”马佐指出。“我认为我们需要更努力地推进它。我们需要进行更多的分析、更多的模拟，看看创建一个人们可以在家使用的真实显示器是否有意义。” 目前的系统只能实时显示简单的图形，例如笑脸或数字 8（尽管当使用具有慢快门速度的相机拍摄时，它可以生成更详细的旋转地球图像）。为了演示更详细的视觉效果——例如图表或地球周围卫星的 3D 可视化——它需要以显着更高的速度在显示器周围快速移动珠子。“您可能会问，为什么让粒子更快对显示器有好处，”马佐说。“那是因为粒子的速度决定了您可以显示的图形的大小和复杂程度。”
尽管如此，斯莫利对这种技术的潜力持乐观态度。他建议，如果系统只有一个而不是两个覆盖扬声器的表面，它可以生成比设备本身更大的图像。“你不能制作比电视更大的电视图像——即使是投影仪也必须有一个比图像本身更大的投影屏幕，”他说。但是使用体显示器，一个小的便携式设备可能会产生更大的图像。“你可以想象，在未来，手表中会有体显示器，例如，它可以创建从手表中投射出来的大图像。” 或者可能从你的《星球大战》机器人中投射出来。