用一颗粒子绘制出可听、可看、可摸的“全息”蝴蝶
原创 as center 科学艺术研究中心
文 Ivy
说起最早的全息术（Holography），大家脑海中可能会不约而同浮现出科幻经典巨作《星球大战》中莱娅公主发出的求救片段。这部电影上映于1977年，在当时有限的技术条件下，它用想象力和古早特效为人类创造了一个神话世界。而全息影像（Holographic display）作为其中极为重要的一个概念，直到四十多年后的今天，人类也还在追求探索和实现完善这项技术。
莱娅公主向卢克天行者和欧比旺发出求救全息影像， 来源：《星球大战》
你也许会有疑问，全息投影技术（Front-projected holographic display）不是很早就有了吗？对于严格意义上的全息来讲，空气即为物体成像的介质。而现在我们日常所能接触到的绝大部分“全息”，例如演唱会上已故歌手重回舞台，其实是应用了我们过往公众号文章中介绍过的佩珀尔幻象（Pepper”s Ghost）——这是一种“类全息投影技术”，需要借助全息膜、薄纱幕或雾气等介质，并且人们在某个特定角度才可以观测到影像，所以它只是一个平面而非真正的360度立体图像。
邓丽君在舞台上的全息投影， 来源：google
不过近期，《自然》和《科学》期刊同时在新闻版头条报道了来自英国萨塞克斯大学（University of Sussex）研究人员介绍的一种多模态声阱显示器（Multimodal acoustic trap display，MATD），它有望让科幻片中的全息影像变成现实。
MATD中的“全息”图像， 来源：mittrchina.com
MATD显示设备并不复杂，只要敲击一下键盘，就能让一颗2mm宽的悬浮颗粒——聚苯乙烯珠子（泡沫球）焕发生机。研究员能操作白色的斑点使其跳跃起来，在空中悬停、盘旋；再点击一下，小圆点就会在黑色的盒子里打转形成一个发光的彩色蝴蝶，它甚至还会扇动翅膀。
MATD装置结构， 来源：youtube
蝴蝶在半空中变形和飞舞的背后，是一个相对简单的装置：在悬浮的颗粒上下有两个由256个微型扬声器组成的细长阵列，通过声悬浮来完成对粒子的移动控制。LED发出的红色、绿色和蓝色光打在粒子上，将其高速移动所留下的轨迹映射出来，形成了我们肉眼所见的不断演变的3D图像。这便是之前公众号文章（）中提到的“视觉暂留”现象——因显示系统在垂直和水平方向上操控的粒子速度分别高达8.75m/s和3.75m/s，而其实际移动距离只有几毫米到几厘米，所以它的移动时间要远远小于我们视神经反应需要的时间（约1/16秒，且针对不同频率的光反应时间会有一定差别），这个反应时长造成了视觉图像在大脑中的滞后现象。
高速移动的粒子绘制出的倒计时与笑脸图像， 来源：youtube
蝴蝶和笑脸或其他图案，就这样在空中被直接绘制出来，像用高速蚀刻机进行素描一样。
扬声器阵又是如何靠声音来控制微小粒子实体形成悬浮图像的呢？声悬浮（Acoustic levitation），是一种利用来自高强度声波的声辐射压力，使物质在重力作用下悬浮在空气中的方法。
我们都知道声音是一种波，它在空气中传播，同水波在水中传播类似。不过水波是横波，其振动方向与传播方向垂直；而声波是纵波，其振动方向就在传播方向上。声波的连续振动使空气分子不断交替的压缩和松弛，导致大气压迅速产生起伏，而处在声场中的物体就会受到压强差产生的力的影响。
驻波， 来源：wikipedia
上图中，红色与蓝色分别代表两个完全相同但传播方向相反的波，黑色波是它们合成的结果。把红蓝两列波的波幅相加，就产生了一条仿佛驻立在原地不动的波，这也是“驻波（Standing wave）”名称的由来。
仔细观察可以发现，黑色驻波上红点位置的声波振幅永远为零，所以理论上压强也为零，这些地方叫作“波节”；而那些振幅最大的地方称为“波腹”，两个波节间的距离，正好是原来声波波长的一半。用驻波来悬浮物体，就是当波腹处产生的高压强把物体推向低压强区（波节）的力场，与悬浮粒子/水珠自身的重力达到平衡时，就能够使其停滞在空中。
移动速度逐渐变快的粒子轨迹形成了MATD中的“全息”图像， 来源：youtube
因为在MATD中快速移动着的粒子是轻盈但实体存在的物体，所以当你试图伸手触碰它的时候能够产生实际的触感——“触感的感觉就像用加压空气轻轻喷洒你的手。”研究员在采访中说道。在演示了全部的显示效果后，关掉显示器，拍打着翅膀的蝴蝶就消失了，留下了创造出它的珠子在显示器底座上弹跳。
触碰MATD中飞舞的蝴蝶， 来源：youtube
这些看似玄幻的科学原理总是精巧而简单，世界上还有更多等着人们去探索的“魔术师礼帽”，让我们一起期待未来能研究出更多像声悬浮一样令人兴奋的科技魔术吧。
Reference:
https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_levitation
https://www.youtube.com/watch?v=tzWP-NL3Lck
https://www.youtube.com/watch?v=jOnxr9Ez_Kc
https://futurism.com/scientists-create-holograms-see-hear-feel
https://www.mittrchina.com/news/detail/3988
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