用一颗粒子绘制出可听、可看、可摸的“全息”蝴蝶

国家纳米科学中心 2022-02-18 14:21

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“‘全息术’带你发现魔法世界的入口”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（“漫舞”不慢，是你的眼睛没能跟上）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。