Новите 3D дисплеи, работещи с ултразвукови вълни: да виждаш благодарение на звука

За да се изпробват най-новите технологии на бъдещето, понякога е полезно да се вдигне малко шум. Екип изследователи използва акустични вълни, за да се получат левитиращи триизмерни изображения, за създаването на звуци към тях и дори усещане за докосване на 3D изображението.

Още от 1940-те години учените използват добре познатият физически ефект с име акустична левитация. В основата на този ефект е използването на акустични вълни за прихващането и удържането на миниатюрни обекти във въздуха. Но през последните десетина години тази технология значително се разви и получи редица нови възможности, с помощта на които специални акустични системи могат да отблъскват или привличат групи от малки частици, създавайки ефект на силов лъч.

Специалистите са на мнение, че тази технология може да се използва в много области – с нейна помощ например може да се сместват и сортират прахови частици, да се провеждат специални химични реакции в изолирана среда, да се реализират нови методи на триизмерен печат и дори да се създадат 3D дисплеи, триизмерното изображение в които да се вижда от произволен ъгъл.

Тези дисплеи се считат за обемни и за разлика от холографските технологии могат да създават изображения без наличието на екран, и които могат да се разглеждат от всички страни.

„Представете си новите дисплеи като обемното съобщение на принцеса Лея от „Междузвездни войни“, което роботът R2-D2 показа на Люк Скайуокър“ – сподели съавторът на новата технология Тудзи Хираяма, научен сътрудник в Университета в Съсекс в Англия.

Хираяма и неговите колеги създават най-различни плуващи във въздуха изображения с помощна на система, която наричат мултимодален дисплей с акустичен капан (multimodal acoustic trap display, MATD). Изображенията се създават между две хоризонтални плоскости, осеяни с миниатюрни ултразвукови говорители.

Тези говорители излъчват звукови вълни в ултразвуковия диапазон с честота, която човешкото ухо не може да чуе. Тези вълни създават вибрации във въздуха, които могат да манипулират малко пластмасово топче с размер по-малък и от сусамово семе. Всички действия се осъществяват във въздушен джоб с формата на куб със страна около 10 см.

Докато това малко топче лети по предварително програмираните траектории, изследователите го осветяват по различен начин.

„Ние осветяваме тази левитираща частица с помощта на RGB светодиоди, за да получим необходимия цвят“ – каза още Хираяма.

Благодарение на високата скорост – частицата се движи със скорост почти девет метра в секунда по хоризонтала и с около четири метра в секунда по вертикала, светещата точка благодарение на инерцията на човешкото зрение се възприема като едно цяло изображение.

Разбира се, това далеч е е първата научна работа от подобен тип. И други учени работят върху визуални дисплеи, базирани на акустичната левитация. Така например, японски изследователи показаха голям брой малки частици, използвани в проекционен екран от нов тип. А в научната статия от месец август тази година, публикувана в Applied Physics Letters, се описва испанска система, аналогична на системата на учените от Съсекс.

Но според съавтора на това августовско изследване Асиера Марзо, физик от държавния университет в Навара, Испания, новата система на учените от Съсекс е много по-съвършена от всичко, направено досега.

„Техните резултати са много по-добри от нашите“ – казва Марзо. „В научната статия, която публикувахме преди три месеца, нашата частица не може да се движи със скорост по-голяма дори и от един метър в секунда. А те са достигнали скорост от девет метра в секунда. Ето защо считам, че техните резултати са поразителни“.

В допълнение към визуалните ефекти, системата може да възпроизвежда звук, съответстващ на 3D изображението. А ултразвуковите говорители могат да концентрират вибрациите в точно определени малки зони по такъв начин, че пръстът може да усети леко отблъскване, сякаш триизмерното изображение, създадено от малкото топче, наистина съществува. При това, за разлика от грубата вибрация на смартфоните, ултразвуковите вълни могат да работят много по-нежно и да създадат усещане за различен тип повърхности.

„Ние създадохме 3D дисплей, изображенията в който могат да се виждат от всички страни и да се докосват и пипат“ – каза още Хираяма. „В нашата научна работа ние използваме ултразвук, който може едновременно да създава визуално, тактилно и звуково съдържание. С помощта на този троен подход може да бъде създаден триизмерен мигащ и звънящ левитиращ будилник, който може да бъде спрян с едно докосване на палеца“.

Едва ли точно будилникът ще бъде единственото използване на тази технология.

„Дисплеят без екран е изключително полезен“ – заяви Даниъл Смоули, доцент от катедрата по изчислителна техника на университета Бригъм Янг, рецензент на тази статия за списанието Nature. „Това означава, че всички в стаята могат да виждат това изображение, независимо от перспективата и местоположението. Това е много интересно и много полезно“.

Ако се използва в комуникациите този дисплей един ден би дал възможност на потребителите да общуват чрез своите триизмерни проекции, които могат да бъдат разглеждани и да изглеждат естествено от всички страни. Хираяма предлага използването на тази технология за визуализация на данните директно във въздуха. Това би могло да е точното изобразяване на движението на сателитите около Земята, което ще даде много по-интуитивна представа за разпределението на космическия боклук и как ни могъл по-лесно да се избегне.

Въпреки че за създаването на новите обемни дисплеи се използват различни методи, Смоули счита, че акустичната левитация дава най-многообещаващи резултати.

„Конкретно този дисплей е интересен с това, че е много по-близко до комерсиализация в сравнение с останалите модели обемни дисплеи, работещи в свободното пространство. Той е изготвен от стандартни готови компоненти, а учените демонстрираха, че не е чак толкова сложно той да бъде направен. Първоначално мислех, че няма да може да се използва инерцията на зрението поради ниските скорости, но се оказа, че това не е така“.

Но преди да започнем да поставяме подобни дисплеи в гостните си, предстои още много работа.

„Засега всичко това е направено в лабораторни условия“ – отбеляза Марзо. „Трябва да направим още много анализи, още модели, за да разберем, има ли смисъл от създаването на подобен реален дисплей, който хората ще могат да си купят и поставят вкъщи“.

Засега новата 3D система показва само опростена графика в реално време, като например емоджи, цифрата 8 и някои други. За получаването на по-детайлно изображение ще трябва да се използва по-специална камера с по-голяма скорост на затвора.

А за да могат да се покажат по-детайлни визуални ефекти, като сложна графика или сателитите около Земята, малкото топче ще трябва да се движи с много по-голяма скорост. Именно скоростта на малкото топче определя доколко детайлно изображение може да се получи.

Смоули е голям оптимист по отношение използването на тази технология. Той предполага, че в тази система вместо две плоскости с малки ултразвукови говорители, може да се използва само една плоскост, която може да генерира триизмерно изображение, по-голямо от самото устройство. Става възможно създаването на изображение, по-голямо от телевизора. Една малка кутия би могла да създава 3D изображение, много по-големи от самата нея.

И още, бъдещите дисплеи, базирани на тази технология могат да използват по-мощни ултразвукови говорители и да създават изображения с помощта на няколко малки топчета. За тяхното управление ще е необходим софтуер от съвсем нов тип, но началото е вече поставено. Според думите на техническия ръководител на този проект Шрирам Субраманиан, вече се подготвя софтуерът, който може да се погрижи малките топчета да не се сблъскват помежду си при създаването на триизмерното изображение. Но засега не е създадено програмното осигуряване за правилното осветяване на няколко танцуващи във въздуха топчета. Но става явно, че в близко бъдеще е напълно възможно да бъде пресъздадена холограмата на принцеса Леа от „Междузвездни войни“..